Neue Horizonte für die Kryomikroskopie
Prof. Anders Meibom und seine Forschungsgruppe brauchten fast 10 Jahre und mehrere Prototypen, bis sie es endlich schafften. Nun ist es ihnen gelungen, eine Analysemethode zu verbessern, die als Sekundärionen-Massenspektrometrie im Nanomassstab (NanoSIMS) bekannt ist, indem sie ein CryoNanoSIMS-Gerät gebaut haben – ein Instrument, das die chemische und isotopische Zusammensetzung von verglasten Gewebeproben analysieren kann. Das von ihnen verwendete Probenvorbereitungsverfahren wurde in den 1980er Jahren von dem bekannten Waadtländer Biophysiker Jacques Dubochet entwickelt, der für diesen Durchbruch den Nobelpreis für Chemie 2017 erhielt. Dieses Verfahren, das die Grundlage der modernen kryogenen Elektronenmikroskopie bildet, bewahrt alle Bestandteile einer biologischen Probe in ihrem makellosesten postmortalen Zustand. Die CryoNanoSIMS-Maschine der Forschungsgruppe und ihre potenziellen Vorteile werden in einem Artikel beschrieben, der in der Zeitschrift BMS Biology erscheint.
«Wir sind jetzt in der Lage, Bilder zu erstellen, die genau zeigen, wo in einer Zell- oder Gewebeprobe ein bestimmter Nährstoff gespeichert oder verwendet wird oder wo ein bestimmtes Medikament hineingelangt – oder eben nicht. Es gibt keine andere Möglichkeit, diese Informationen zu erhalten», sagt Meibom, der das Labor für biologische Geochemie an der Fakultät für Architektur, Bau- und Umweltingenieurwesen der EPFL leitet und auch Professor an der Universität Lausanne (UNIL) ist.
Neue Horizonte für die Forschung
Mit dem CryoNanoSIMS-Gerät können Wissenschaftlerinnen kryogen präparierte biologische Gewebeproben nehmen – in denen keine Moleküle verloren gegangen oder gar verschoben worden sind - und direkt die genaue subzelluläre Verteilung von Verbindungen beobachten, die zum Beispiel für die Behandlung von bakteriellen Infektionen und Krebs wichtig sind. Forschende können mit dem Gerät auch die Verteilung von Spurenelementen in Pflanzengewebe sichtbar machen, was für die Verbesserung des Pflanzenwachstums und der Pflanzenproduktion sowie für das Aufspüren von Umweltschadstoffen in Böden und Biofilmen von entscheidender Bedeutung ist. «CryoNanoSIMS-Instrument eröffnet völlig neue Forschungsmöglichkeiten, und in meinem Labor entwickeln wir derzeit ein grosses wissenschaftliches Programm rund um diese einzigartige Fähigkeit», sagt Meibom.
Das CryoNanoSIMS-Labor von Meibom ist an der UNIL untergebracht und gehört zum Center for Advanced Surface Analysis, einem Konsortium von Labors der UNIL und der EPFL, die mit modernsten Geräten Element- und Isotopenanalysen von Oberflächen für eine breite Palette von Forschungsthemen von der Geologie bis zur Biologie durchführen. Dubochet bezeichnete das neue Gerät als «eine wichtige Erweiterung des Bereichs der biologischen Chemie».
Eine landläufige Hydra, die in den Süssegewässern der Schweiz vorkommt. © iStock Photos
Schweizer Präzision
Die NanoSIMS-Technologie hat bereits bei ihrer Einführung vor rund 20 Jahren den Bereich der Bildgebung revolutioniert. Dabei wird ein Ionenstrahl auf eine Probe gerichtet und es entstehen Bilder mit einer Auflösung von 100 nm. Die damit verbundenen Probenvorbereitungsmethoden führen jedoch alle zu einer gewissen Verzerrung der Gewebemorphologie und zum Verlust von löslichen Verbindungen. Um diese Hindernisse zu überwinden, entwickelten Meibom und sein Team ein kryogenes Verfahren zur Probenvorbereitung und fügten einer NanoSIMS-Maschine neue physikalische Komponenten hinzu, einschliesslich eines Flüssigstickstofftanks, so dass sie kryogene Proben aufnehmen kann.
«Es war extrem schwierig, ein Gerät, das bei Raumtemperatur arbeitet, in ein Gerät zu verwandeln, das gefrorene Gewebeproben analysieren kann, während es die Probe stundenlang kalt und stabil hält. Aber es ist uns gelungen, und wir können nun ganz neue Informationen gewinnen», sagt Meibom, «all dies wäre nicht möglich gewesen ohne die maschinenbautechnischen Fähigkeiten der EPFL-Werkstätten und der Schweizer Firmen, mit denen wir zusammengearbeitet haben, um den erforderlichen Präzisionsgrad für bestimmte Teile zu erreichen.»
Von Hydra bis Korallen
Die Autoren der Studie testeten ihre CryoNanoSIMS-Methode an Proben der Grünen Hydra, einem kleinen Tier, das in Süsswasserteichen und -seen, auch in der Schweiz, lebt. Mit dem CryoNanoSIMS konnten sie direkt beobachten, wie dieses Tier Ammonium, einen wichtigen Nährstoff für viele Wasserorganismen, aufnimmt und assimiliert.
In einem nächsten Schritt soll die Methode auf Korallen – ein weiteres Spezialgebiet von Meiboms Labor – angewendet werden, damit die Forschenden die Mechanismen der Symbiose zwischen Algen und Korallen untersuchen und die Faktoren ermitteln können, die zu Korallenbleiche und -sterben führen.
