Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verraten

Die Zelle wird auf einer Si-C-Membran gezüchtet und in ihr flüssiges Medium eingebettet. Die Spitze des s-SNOM erfasst Schwingungen, die durch Infrarotlicht von BESSY II ausgelöst werden.

Die Zelle wird auf einer Si-C-Membran gezüchtet und in ihr flüssiges Medium eingebettet. Die Spitze des s-SNOM erfasst Schwingungen, die durch Infrarotlicht von BESSY II ausgelöst werden. © A. Veber/HZB

Das mikroskopische Bild (links) und die gewonnenen IR-Spektren enthalten präzise Informationen über relevante Moleküle und molekulare Prozesse innerhalb der Zelle.

Das mikroskopische Bild (links) und die gewonnenen IR-Spektren enthalten präzise Informationen über relevante Moleküle und molekulare Prozesse innerhalb der Zelle. © A. Veber/HZB

Mit Infrarot-Vibrationsspektroskopie an BESSY II lassen sich hochaufgelöste Karten von Molekülen in lebenden Zellen und Zellorganellen in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung erstellen, zeigt eine neue Studie von einem Team aus HZB und Humboldt-Universität zu Berlin. Die Nano-IR-Spektroskopie mit SNOM an der IRIS-Beamline eignet sich, um winzige biologische Proben zu untersuchen und Infrarotbilder der Molekülschwingungen mit Nanometer-Auflösung zu erzeugen. Es ist sogar möglich, 3D-Informationen, also Infrarot-Tomogramme, aufzuzeichnen. Um das Verfahren zu testen, hat das Team Fibroblasten auf einer hochtransparenten SiC-Membran gezüchtet und in vivo untersucht. Die Methode ermöglicht neue Einblicke in die Zellbiologie.

Die Infrarot-Mikrospektroskopie ist eine zerstörungsfreie Methode, um biologische Gewebe oder Zellen zu charakterisieren. Mit Hilfe eines infrarotstreuenden Nahfeld-Optikmikroskops (s-SNOM) reichen selbst kleinste Probenvolumina aus, um reichhaltige Informationen über die molekulare Zusammensetzung, Struktur und Wechselwirkungen mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 10 nm zu gewinnen.

Test mit Fibroblasten

Die IRIS-Beamline an der Synchrotronquelle BESSY II liefert das für diese Methode erforderliche hochbrillante Infrarotlicht. In einer aktuellen Studie unter der Leitung von Dr. Alexander Veber (HZB) und Prof. Dr. Janina Kneipp (HUB) an BESSY II hat nun ein Team die Wirksamkeit dieser Methode demonstriert, indem sie die Schwingungsspektren lebender Fibroblasten-Zellen in Flüssigkeiten aufzeichneten. Fibroblasten sind für den Aufbau von Bindegewebe und die Produktion von Kollagen verantwortlich.

Proteine und andere Moleküle

Dabei verwendete das Team erstmals eine ultradünne Siliziumkarbidmembran als biokompatible Schutzschicht zwischen den Zellen und ihrem flüssigen Medium und der Sondenspitze des s-SNOM-basierten Infrarot-Nanoskops, das die Schwingungen erfasst.

„Wir konnten nicht nur den Zellkern und die Zellorganellen sichtbar machen, sondern es gelang uns auch, anhand der erfassten Schwingungsspektren die einzelnen Beiträge von Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und Membranlipiden auszulesen“, sagt Veber. Dies war möglich, weil die Siliziumkarbidmembran für Infrarotlicht hochtransparent ist. Die beobachtete Zellstruktur im Nanobereich stimmt mit der bekannten Heterogenität von Zellen überein und bestätigt damit die neue Methode.

3D-Informationen

Sie konnten außerdem durch die Variation von Messparametern steuern, wie tief in der Probe die Signale erfasst werden. „So konnten wir verschiedenen Schichten untersuchen. Dies ebnet den Weg für die Infrarot-Nanotomographie von Zellen, d. h. eine detaillierte 3D-Visualisierung der Zellstruktur und -zusammensetzung“, sagt Veber. Standardisierte 2D- und 3D-Schwingungsbildgebung und -spektroskopie könnten schnellere Fortschritte in der Biophysik und bei Nanomaterialien ermöglichen.

„Diese Methode erlaubt es, biologische Proben und Flüssig-Fest-Grenzflächen viel genauer zu analysieren, als dies bisher möglich war“, sagt Veber. „Im Prinzip könnten wir damit jede Art von Zellen untersuchen, auch Krebszellen.“ Die neue Entwicklung steht ab sofort auch allen Nutzergruppen der IRIS-Beamline zur Verfügung.

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliert
    Science Highlight
    16.04.2026
    Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliert
    Wasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.
  • Umweltchemie an BESSY II: Radikale in Gewässern
    Science Highlight
    09.04.2026
    Umweltchemie an BESSY II: Radikale in Gewässern
    Wie entstehen in wässrigen Lösungen unter UV-Licht so genannte Radikale? Diese Frage spielt sowohl für die Gesundheitsforschung als auch für den Umweltschutz eine wichtige Rolle, beispielsweise im Zusammenhang mit der Überdüngung von Gewässern durch die Landwirtschaft. Ein Team hat nun an BESSY II eine neue Methode etabliert, um Hydroxyl-Radikale in Lösung zu untersuchen. Mit einem Trick konnten sie überraschende Einblicke in den Reaktionspfad gewinnen.
  • Theorie trifft Praxis – Wir gehen wieder an die HTW Berlin!
    Nachricht
    07.04.2026
    Theorie trifft Praxis – Wir gehen wieder an die HTW Berlin!
    Die Beratungsstelle für BIPV (BAIP) des HZB übernimmt wieder die Koordination und Ausführung der Vorlesung "Gebäudeintegierte Photovoltaik".