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

  • MXene als Energiespeicher: Vielseitiger als gedacht
    Science Highlight
    03.02.2026
    MXene als Energiespeicher: Vielseitiger als gedacht
    MXene-Materialien könnten sich für eine neue Technologie eignen, um elektrische Ladungen zu speichern. Die Ladungsspeicherung war jedoch bislang in MXenen nicht vollständig verstanden. Ein Team am HZB hat erstmals einzelne MXene-Flocken untersucht, um diese Prozesse im Detail aufzuklären. Mit dem in situ-Röntgenmikroskop „MYSTIIC” an BESSY II gelang es ihnen, die chemischen Zustände von Titanatomen auf den Oberflächen der MXene-Flocken zu kartieren. Die Ergebnisse zeigen, dass es zwei unterschiedliche Redox-Reaktionen gibt, die vom jeweils verwendeten Elektrolyten abhängen. Die Studie schafft eine Grundlage für die Optimierung von MXene-Materialien als pseudokapazitive Energiespeicher.
  • Ein Rekordjahr für das HZB-Reallabor für bauwerksintegrierte Photovoltaik
    Nachricht
    27.01.2026
    Ein Rekordjahr für das HZB-Reallabor für bauwerksintegrierte Photovoltaik
    Unsere Solarfassade in Berlin-Adlershof hat im Jahr 2025 so viel Strom erzeugt wie in keinem der vergangenen vier Betriebsjahre.
  • KI analysiert Dinosaurier-Fußabdrücke neu
    Science Highlight
    27.01.2026
    KI analysiert Dinosaurier-Fußabdrücke neu
    Seit Jahrzehnten rätseln Paläontolog*innen über geheimnisvolle dreizehige Dinosaurier-Fußabdrücke. Stammen sie von wilden Fleischfressern, sanften Pflanzenfressern oder sogar frühen Vögeln? Nun hat ein internationales Team künstliche Intelligenz eingesetzt, um dieses Problem anzugehen – und eine kostenlose App entwickelt, die es jeder und jedem ermöglicht, die Vergangenheit zu entschlüsseln.