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Optischer Traktorstrahl hält Bakterien fest 

Veröffentlicht am 13. Dezember 2016, 12:04 Uhr
Physiker der Universität Bielefeld berichten in „Nature Communications“ über neue Methode

Wenn Naturwissenschaftler Blutzellen, Algen oder Bakterien mit dem Mikroskop untersuchen wollen, müssen sie diese Zellen bisher auf Trägermaterial, etwa Glasplättchen, befestigen. Physikerinnen und Physiker der Universitäten Bielefeld und Frankfurt am Main haben eine Methode entwickelt, mit der sich biologische Zellen mit einem Laserstahl festhalten lassen und dabei mit höchster Auflösung untersucht werden können. Bekannt ist das Prinzip als „Traktorstrahl“ aus Science-Fiction-Literatur und -Filmen. Mit diesem Verfahren haben sie hochauflösende Aufnahmen der DNA in einzelnen Bakterien erhalten. Der Physiker Robin Diekmann stellt gemeinsam mit Kollegen die Neuentwicklung am heutigen Dienstag (13.12.2016) in der neuen Ausgabe des Forschungsjournals „Nature Communications“ vo
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Prof. Dr. Thomas Huser und sein Team haben ein Verfahren für die hochauflösende Mikro-skopie von Zellen weiterentwickelt. Damit können sie die Zellen ohne Trägermaterial fest-halten und optische Aufnahmen mit ähnlicher Auflösung wie mit Elektronenmikroskopen erhalten. Foto: Universität Bielefeld
 
Prof. Dr. Thomas Huser und sein Team haben ein Verfahren für die hochauflösende Mikroskopie von Zellen weiterentwickelt. Damit können sie die Zellen ohne Trägermaterial festhalten und optische Aufnahmen mit ähnlicher Auflösung wie mit Elektronenmikroskopen erhalten. Foto: Universität Bielefeld
Forschende, die biologische Zellen mikroskopieren wollen, stehen mitunter vor dem Problem, dass sich die Zellen durch die Vorbehandlung verändern. Viele Bakterien bevorzugen es, frei in Lösung schwimmen zu können. Ähnlich ist es bei Blutzellen: Sie sind ständig in schnellem Fluss und verharren nicht auf Oberflächen. Haften sie auf einer Oberfläche, so verändert sich ihr Aufbau und sie sterben. 

„Unsere neue Methode ermöglicht es, Zellen, die nicht an Oberflächen verankert werden können, mittels einer optischen Falle mit sehr hoher Auflösung zu untersuchen. Die Zellen werden mit einer Art optischem Traktorstrahl festgehalten. Das Prinzip hinter diesem Laserstrahl ähnelt dem aus der Fernsehserie ,Raumschiff Enterprise‘ bekannten Konzept“, sagt Professor Dr. Thomas Huser. Er leitet die Forschungsgruppe Biomolekulare Photonik in der Fakultät für Physik. „Das Besondere ist, dass die Proben nicht nur ohne Trägermaterial fixiert werden, sie lassen sich darüber hinaus auch drehen und wenden. Der Laserstrahl fungiert als verlängerte Hand für mikroskopisch kleines Hantieren.“

Die Bielefelder Physiker haben das Verfahren für den Einsatz in der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie weiterentwickelt. Sie gilt als Schlüsseltechnologie in der Biologie und Biomedizin, weil damit erstmals biologische Prozesse auf einer Größenskala in lebenden Zellen untersucht werden können, die bisher der Elektronenmikroskopie vorbehalten war. Für Aufnahmen mit solchen Mikroskopen reichern Forscher die zu untersuchenden Zellen mit Farbstoffen an, die zu leuchten beginnen, wenn ein Laserstrahl auf sie gerichtet ist. Mit einem Sensor lässt sich diese Fluoreszenzstrahlung aufzeichnen, damit sind sogar dreidi-mensionale Aufnahmen der Zelle möglich. 

In der neuen Methode dient den Bielefelder Forschern ein zweiter Laserstrahl als optische Falle, um die Zellen unter dem Mikroskop schweben zu lassen und gezielt zu bewegen. „Der Laserstrahl ist sehr intensiv, aber für das Auge unsichtbar, weil es sich um Infrarotlicht handelt“, sagt Robin Diekmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Biomolekulare Photonik. „Wird dieser Laserstrahl auf eine Zelle gelenkt, entstehen innerhalb der Zelle Kräfte, welche die Zelle im Fokus des Strahls festhalten“, sagt Diekmann. Den Bielefelder Physikern ist es gelungen, mit ihrer Methode Bakterienzellen so festzuhalten und zu drehen, dass die Zellen von mehreren Seiten abgebildet werden können. Dank der Drehung konnten die Forscher die dreidimensionale Struktur der DNA mit circa 0,0001 Millimeter Auflösung untersuchen.

Professor Huser und sein Team wollen die Methode so weiterentwickeln, dass sie damit das Zusammenspiel von lebenden Zellen beobachten können. Damit könnten sie zum Beispiel untersuchen, wie Krankheitserreger in Zellen eindringen.

Für die Entwicklung der neuen Methode arbeiteten die Bielefelder Wissenschaftler mit Prof. Dr. Mike Heilemann und Christoph Spahn von der Goethe-Universität Frankfurt am Main zusammen.

Originalveröffentlichung:
Robin Diekmann, Deanna Wolfson, Christoph Spahn, Mike Heilemann, Mark Schüttpelz, Thomas Huser: Nanoscopy of bacterial cells immobilized by holographic optical tweezers. Nature Communications, http://www.nature.com/articles/ncomms13711 , veröffentlicht am 13. Dezember 2016

Aufnahme der Verteilung der Erbinformation in einer Escherichia coli-Bakterienzelle: Biele-felder Physikern der Universität Bielefeld ist es nun als ersten gelungen, diese Verteilung mit höchster optischer Auflösung aufzunehmen, ohne die Zelle auf einem Glassubstrat zu verankern. Foto: Universität Bielefeld
 
Aufnahme der Verteilung der Erbinformation in einer Escherichia coli-Bakterienzelle: Bielefelder Physikern der Universität Bielefeld ist es nun als ersten gelungen, diese Verteilung mit höchster optischer Auflösung aufzunehmen, ohne die Zelle auf einem Glassubstrat zu verankern. Foto: Universität Bielefeld

 

 

Several research stays have brought members from the Biomolecular Photonics group to the Artic University of Tromsø in northern Norway and vice versa. The collaboration under the management of Dr. Mark Schüttpelz (Bielefeld University) and Prof. Balpreet Singh Ahluwalia (University of Tromsø) is funded by a DAAD travel grant. The project aims at realizing super-resolution microscopy directly on waveguide chips to overcome the typical drawbacks of complicated bulk optical components in present nanoscopy implementations. After a successful start in 2015, this fruitful cooperation is continued in 2016.

 

Project participants discuss next steps and appreciate the artic landscape during a coffee break on the rooftop of the lab building in Tromsø.

A DAAD travel grant enabled a new collaboration of the Coherent Raman Scattering (CRS)-division of the Biomolecular Photonics group and the fiber optics group of Prof. Kenneth Wong at Hong Kong University. During several visits of team members in Hong Kong and Bielefeld a novel all fiber based laser source for CARS and SRS imaging will be developed in order to explore ultralow noise levels in combination with high laser powers and minimized dimensions. Ultimately, we plan to develop easy-to-use tools for label-free biomedical imaging in clinical use.

 

Dr. Xiaming WEI, Dr. Thomas Huser, Henning Hachmeister and Christian Pilger enjoying the view from Hong Kong's Victoria Peak together with team members from Prof. Kenneth Wong´s research group.

Henning Hachmeister was awarded with the best student paper award at the Asian Communications and Photonics Conference ACP 2015 in Hong Kong for his talk with the title "Enhancing the Molecular Sensitivity of Coherent Raman Scattering by Doubly-Resonant CARS (DR-CARS)."

 

Our new DeltaVision|OMX v4.0 BLAZE system from GE Healthcare was installed and is now fully operational. The arrival of this new highend research instrument was recently highlighted in the local newspapers.

Deanna Wolfson (UC Davis) was awarded a Boehringer-Ingelheim Fund Travel Fellowship to work with Wolfgang Hübner in our group on developing superresolution imaging methods for investigating how HIV-1 spreads between cells.