Forschung

Naturgesetze zu überlisten hat seinen Preis

13.10.2020 - Bilder oft falsch interpretiert – Super-Resolution-Mikroskopie kann trügerisch sein!

Eigentlich widerspricht die Technologie einem Grundsatz, den man lange für ein Naturgesetz gehalten hatte: Mit Lichtwellen kann man nur Objekte abbilden, die größer sind als die halbe Wellenlänge. Diese Regel stimmt zwar, doch sie lässt sich überlisten, wenn man unterschiedliche Punkte des Objekts nacheinander einzeln zum Leuchten bringt – zum Beispiel ganz bestimmte Moleküle auf einer Zelle. So die Grundidee hinter der Super-Resolution-Mikroskopie, für die 2014 der Chemie-Nobelpreis vergeben wurde.

Seither hat sich diese Mikroskopie-Technik auf der ganzen Welt immer wieder bewährt, doch ein Team von Wissenschaftlern der TU Wien und der MedUni Wien zeigte nun, dass man bei der Interpretation der Daten sehr vorsichtig sein muss: Die Super-Resolution-Mikroskopie macht zwar einzelne Moleküle sichtbar, aber es kann leicht passieren, dass man ein Molekül mehrfach abbildet. Eine bloße Mehrfachbelichtung kann dann mit einem Cluster aus mehreren Molekülen verwechselt werden. Das Forschungsteam entwickelte Methoden, zwischen diesen beiden Möglichkeiten zu unterscheiden.

„Aus biologischer wie immunologischer Sicht spielt es eine wichtige Rolle, ob bestimmte Rezeptoren wie beispielsweise T Zell Antigenrezeptoren gleichmäßig auf der Zelloberfläche verteilt sind, oder ob sie sich zu Clustern zusammenfinden“, erläutert Johannes Huppa, Biochemiker und Immunologe vom Institut für Hygiene und Angewandte Immunologie der Meduni Wien. „Und wie sich zeigte, ist genau diese Frage mit Super-Resolution-Mikroskopie schwer zu beantworten.“

Das Team konnte nämlich zeigen, dass verschiedene Moleküle, die man in der Super-Resolution-Mikroskopie als Markierungs-Farbstoffe verwendet, nicht nur einmal sondern auch häufiger aufleuchten können – in manchen Fällen sogar zwanzig bis dreißig mal. „Und dann zieht man mit herkömmlichen Auswertungsmethoden völlig falsche Schlüsse: Es sieht aus, als würde es dort auf engstem Raum einen Cluster aus zwanzig bis dreißig Molekülen geben“, sagt Huppa.

Mit viel Aufwand und speziellen biochemischen Tricks gelang es dem Forschungsteam nun, verschiedene Markierungs-Farbstoffe genau zu charakterisieren: Spezielle Proteine wurden jeweils mit unterschiedlichen Markierungs-Molekülen versehen und auf einem Glasplättchen fixiert. Dann wurde das Verhalten der Moleküle genau analysiert: Leuchten sie mehrfach auf, wenn man sie mit einem Laser bestrahlt, oder gehen sie nach dem ersten Aufleuchten kaputt? Wie lange dauert es typischerweise, bis sie nach dem ersten Aufleuchten ein weiteres Mal aufleuchten können?

„Mit diesen Informationen kann man nun das Verhalten der Moleküle am Computer simulieren und mit Super-Resolution-Bildern aus Experimenten vergleichen“, erklärt der Biophysiker Mario Brameshuber vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Und unsere Simulationen zeigen, dass es bestimmte statistische Zusammenhänge zwischen den Leuchtsignalen gibt, die uns verraten, ob einzelne Moleküle häufig oder viele Moleküle je einmal ein Signal im Experiment geliefert haben.“ Das Bild, das am Ende entsteht, mag mit bloßem Auge gleich aussehen, aber mit Mathematik kann man zusätzliche wichtige Informationen herausholen, welche die Methode in ihrer Aussagekraft verbessert und robuster macht.

„Die Super-Resolution-Mikroskopie ist heute eine extrem wichtige Technik, und das wird sie auch weiterhin bleiben“, sind sich die TeamMitglieder René Platzer und Benedikt Rossboth, einig. „Wir konnten in unserer Forschungsarbeit zwei wichtige Erkenntnisse liefern: Erstens, dass die Auswertung der Bilder manchmal komplizierter ist, als man bisher annahm, und zweitens, dass man mit sehr sorgfältigen Experimenten und Berechnungen am Ende doch an die Information herankommt, die man für gesicherte Aussagen braucht.“

TU Wien / OD

Weitere Infos

Neue Vakuumpumpe VACUU·PURE® 10

Öl- und abriebfreies Vakuum bis 10⁻³  mbar

VACUUBRAND präsentiert eine trockene und abriebfreie Schraubenpumpe für den Vakuumbereich bis 10⁻³ mbar. Die Pumpe besticht durch ihre wartungsfreie Technologie ohne Verschleißteile und weist ein Saugvermögen von 10 m³/h auf. VACUU·PURE 10 ist die ideale Lösung für Prozesse, bei denen partikel- und kohlenwasserstofffreies Vakuum im Bereich bis 10⁻³ mbar benötigt wird. Mit dieser Eigenschaft deckt die Schraubenpumpe viele Anwendungsgebiete ab – wie beispielsweise Analytik, Vorvakuum für Turbomolekularpumpen oder die Regeneration von Kryopumpen. Sie ermöglicht aber auch Prozesse wie die Vakuumtrocknung, Gefriertrocknung, Wärmebehandlung, Entgasung oder Beschichtung. Da keine Verschleißteile zu tauschen sind und lästige Ölwechsel entfallen, ist ein unterbrechungsfreier Betrieb mit sehr langen Standzeiten möglich.

VACCU PURE 10

Lernen Sie VACUU·PURE 10 kennen.

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

*Interior Permanent-Magnet

Pfeiffer HiScroll Pumpen Video

Erfahren Sie mehr über die neue HiScroll Vakuumpumpe

Webinar: Grundlagen der Wellenoptik-Simulation in 18 Minuten

Dieses 18-minütige Webinar vermittelt die Grundlagen der Modellierung und Simulation wellenoptischer Systeme.

Mehr Informationen zum Webinar

Webinar: Von Transportmessungen in der Festkörperphysik zur Impedanzanalyse in der Elektrotechnik

Nach einer kurzen Einführung in das Lock-in Verstärker Messverfahren erfahren Sie, wie diese Messtechnik bessere und schnellere Transportmessungen ermöglicht.

Mehr Informationen zum Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

Eventbeginn:
03.11.2020 - 12:00
Eventende:
03.11.2020 - 16:00

Mehr Informationen

Webinar: Grundlagen der Wellenoptik-Simulation in 18 Minuten

Dieses 18-minütige Webinar vermittelt die Grundlagen der Modellierung und Simulation wellenoptischer Systeme.

Mehr Informationen zum Webinar

Webinar: Von Transportmessungen in der Festkörperphysik zur Impedanzanalyse in der Elektrotechnik

Nach einer kurzen Einführung in das Lock-in Verstärker Messverfahren erfahren Sie, wie diese Messtechnik bessere und schnellere Transportmessungen ermöglicht.

Mehr Informationen zum Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

Eventbeginn:
03.11.2020 - 12:00
Eventende:
03.11.2020 - 16:00

Mehr Informationen