Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verraten

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.