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Leuchtsignale aus lebenden Zellen

Unser Referent Prof. Kubitscheck berichtet von den Ergebnissen seiner Arbeitsgruppe
Bonn, den 30.01.2014

Das Vortragsjahr des MKB startete im Januar mit einem echten Highlight: Horst Wörmann hatte Herrn Prof. Kubitscheck aus dem Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Uni Bonn gewonnen, uns aus seinem Arbeitsgebiet zu berichten.
Unter dem Titel "Leuchtsignale aus lebenden Zellen" konnten wir in einem sehr interessanten und auch für den Laien verständlichen Vortrag die Forschung der Arbeitsgruppe Biophy- sikalische Chemie nachvollziehen. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus den Bereichen Physik, Biologie und Chemie ist es den Bonnern im Rahmen der Analysen zur molekularen Dynamik in biologischen Systemen und der Beobachtung von kinetischen Prozessen durch Einzel- molekülmikroskopie erstmals gelungen, den Weg der im Zellkern anhand der dort liegenden DNA synthetisierten Boten-RNA durch die Zellkernhülle hindurch ins Zytoplasma in Echtzeit zu filmen. Die Arbeit wurde im Mai 2012 in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert. Aber damit war man natürlich nicht zufrieden. Es wurde weiter geforscht und eine Möglichkeit entwickelt, einzelne Moleküle in einem gewissen Volumen des Zellkerns auf ihrem Weg zu den Zellkernporen und durch diese hindurch kontinuierlich über fast 20 Sekunden zu verfolgen.
Munddrüsenzellkerne:
Die Zellkerne entsprechen dem inneren ovalen Bereich in den unterschiedlichen Einzelbildern. Die Boten-RNA in den Zellkernen wurde mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert und mittels Laserstrahlung zum Leuchten angeregt. (c) Foto: Jan Peter Siebrasse/Uni Bonn
Zum Einsatz kommen dabei verschiedene Fluoreszenz-Marker, die entweder in der RNA-"Transporthülle" oder direkt in der RNA verbaut sind. Die Beobachtung erfolgt mit einem in den Werkstätten der Universität in vielen Teilen selbst kon- struierten Lichtscheiben- mikroskop, das nach mehre- ren Entwicklungsschritten über die Rückkopplung aus dem mikroskopischen Bild eine Fokussierung auf ein einzelnes Fluoreszenz-Signal im Probenvolumen in Echtzeit erlaubt. Die so entstehenden Filme zeigen den Weg der markierten RNA-Moleküle in allen drei Raumdimensionen. Begrenzend wirkt nur die Lebensdauer der Fluoreszenz-Marker, die durch die notwendige hohe Intensität der Anregungsbeleuchtung mittels Laser verschiedener Wellenlängen nach einiger Zeit zerstört werden.
Die Arbeiten erfolgen an den großen Munddrüsenzellen der Larven der Zuckmückenart Chironomus tentans. Diese Zellen enthalten entsprechend große Zellkerne, die eine Betrachtung der beschriebenen Vorgänge in nicht all zu beengten Verhältnissen erlauben und in entsprechender Nährlösung ausreichend lange am Leben erhalten werden können, um die Marker-Substanzen aufzunehmen und in die zu beobachtenden Strukturen einzubauen.   
Bild 3: Export von Boten-RNA
durch Kernporenkomplexe (violette Strukturen), gesehen aus dem Inneren des Zellkerns. Die blaue Ebene stellt die Hülle des Zellkerns dar. Die roten Kugeln zeigen einzelne Positionen der Boten-RNA. (c) Grafik: Max Brauner/Uni Bonn
Bild 3: Export von Boten-RNA durch Kernporenkomplexe (violette Strukturen), gesehen aus dem Inneren des Zellkerns. Die blaue Ebene stellt die Hülle des Zellkerns dar. Die roten Kugeln zeigen einzelne Positionen der Boten-RNA. (c) Grafik: Max Brauner/Uni Bonn
Die Bahnen der markierten Boten-RNA lassen auf eine zufällige, ungerichtete Bewegung schließen. Dabei führt nur jede vierte Kollision mit der Kernhülle zu einem erfolgreichen Transport ins Zytoplasma. Dort dient die Boten-RNA quasi als Bauanleitung zur Synthese der von der Zelle benötigten Enzyme und Baustoffe, die in den Zellorganellen erfolgt.
Nach jetzigem Stand sind drei Fälle zu unterscheiden: im einfachsten Fall trifft die Boten-RNA nicht auf eine Pore der Zellkernhülle und driftet weiter. Im zweiten Fall misslingt der Transport, dabei bleibt die Boten-RNA länger in der Nähe einer Pore hängen. Nur im dritten Fall gelingt der Transport, was zwischen einigen Hundertstel und wenigen Sekunden dauert. 
Der Transportmechanismus ist noch nicht in Gänze verstanden, fest steht jedoch, dass er aktiv und selektiv nur in einer Richtung erfolgt und dabei weitere Moleküle als Transporthelfer zur Stelle sein müssen. Der Aufbau der Poren in der Zellkernhülle ist durch elektronenmikroskopische Untersuchungen bekannt. Die Methode erlaubt wegen der notwendigen Präparation der Proben jedoch keine Beobachtung an lebenden Zellen.
Interessant ist, dass auch der erfolgreiche Transport einer deutlichen Verzögerung unterliegt. Dabei ist offen, ob dies daran liegt, dass zunächst die passende räumliche Anordnung aller am Transport beteiligen Moleküle erfolgen muss, oder ob an der Pore eine Art Qualitätskontrolle der Boten-RNA statt findet und nur korrekt gebaute Moleküle transportiert werden. Letzteres würde die beobachteten erfolglosen Transportversuche erklären.
Bild 4: Bildfolge zum gelungenen Transport einer markierten Boten-RNA (rot) durch die Kernhülle (grün). Die Farben kommen durch alternierende Anregung mit Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen zustande. Das Diagramm zeigt den Bewegungspfad der Boten-RNA. (c) Grafik: Tim Kaminski /Jan Hendrik Spille
Bild 4: Bildfolge zum gelungenen Transport einer markierten Boten-RNA (rot) durch die Kernhülle (grün). Die Farben kommen durch alternierende Anregung mit Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen zustande. Das Diagramm zeigt den Bewegungspfad der Boten-RNA. (c) Grafik: Tim Kaminski /Jan Hendrik Spille
Hier ist es also erstmals möglich, den Zellen auf molekularer Ebene "beim Leben zuzusehen", was durch die geschickte Markierung der Boten-RNA von beson- derem Interesse ist, da diese durch die Fluoreszenz-Marker nur unwesentlich in Größe und räumlichem Aufbau verändert werden und so davon ausgegangen werden kann, dass die beobachteten zeitlichen Abläufe sehr nahe an denen nicht markierter Moleküle in natürlicher Umgebung liegen.
Auch an dieser Stelle noch einmal herzlichen Dank an Herrn Prof. Ulrich Kubitscheck für seinen fesselnden und unterhaltsamen Vortrag, der - auch Dank einiger Gäste aus den Instituten der Uni Bonn - bestens besucht war und durch die anschließenden Diskussionen noch aufgewertet wurde. 
Aus dem Vortragssaal (Bilder 5 bis 8)
  • 140130 MKB Leuchtzeichen aus lebenden Zellen 05
  • 140130 MKB Leuchtzeichen aus lebenden Zellen 01
  • 140130 MKB Leuchtzeichen aus lebenden Zellen 02
  • 140130 MKB Leuchtzeichen aus lebenden Zellen 04

Literatur und Links

[1]   Fluorescence Microscopy
       Prof. Ulrich Kubitscheck (Hrsg.)
       Wiley-VCH-Verlag, Weinheim; 2013

[2]   Erbgutkopie reist im Proteinkoffer
        Webseite der Pressestelle der
       Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn


[3]   Single Molecule Light Sheet Microscopy
        Spille, J.-H., J.P. Siebrasse, T.Kaminski and U. Kubitscheck. 2012. 
       G.I.T. Imaging & Microscopy 3/2012: 30-32.  en

[4]   Webseite der Arbeitsgruppe von Prof. Kubitscheck
         Arbeitsgruppe biophysikalische Chemie

[5]
   Artikel auf der Webseite "Physikusse"
       Analyse und Visualisierung komplexer biophysikalischer
       und zellbiologischer Prozesse (AnVIP)
       Physikusse - Talente fordern und fördern
      
[6]   Bauanleitung Lichtscheiben-Mikroskop
       OpenSpim WiKi en
       Für Fortgeschrittene ... ;)
Text:
Jörg Weiß
Bilder:
Max Brauner (Bild 2)
Jan Peter Siebrasse (Bild 3)
Tim Kaminski /Jan Hendrik Spille (Bild 4)
Jörg Weiß
Strich_540_schmal.jpg

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Bild 2
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Achtung, großes Bild!
Eidechsenschwanz (Houttuynia cordata), Leitbündel. Aufnahme von Prof. Holger Adelmann, Präparat von Jörg Weiß.
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