Forscher der Harvard-Universität schließen die Lücke zwischen zwei Welten der Bildgebung und machen sowohl zelluläre Strukturen als auch spezifische Moleküle im Nanobereich sichtbar.
Wissenschaftler haben eine neue Bildgebungstechnik entwickelt, die einen neuartigen Kontrastmechanismus in der Biobildgebung nutzt, um die Stärken zweier leistungsstarker Mikroskopiemethoden zu vereinen. Dadurch können Forscher sowohl die komplexe Architektur von Zellen als auch die spezifischen Positionen von Proteinen in lebendigen Farben und mit Nanometerauflösung sehen.
Der Durchbruch, die sogenannte Mehrfarben-Elektronenmikroskopie, löst ein langjähriges Problem in der biologischen Bildgebung: Bisher mussten sich Wissenschaftler entscheiden, ob sie feine Strukturdetails erkennen oder bestimmte Moleküle verfolgen wollten, aber nicht beides gleichzeitig.
Dieser Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten zur Erforschung verschiedenster Prozesse, von der Zellsignalisierung bis hin zur Organisation Molekülcluster innerhalb von Zellen, und ermöglicht es, genau zu beobachten, wo diese Prozesse innerhalb der Zellarchitektur stattfinden. Die Forschungsergebnisse werden auf der 70. Jahrestagung der Biophysical Society vom 21. bis 25. Februar 2026 in San Francisco vorgestellt.
„Mich hat die Entwicklung neuer Mikroskopietechniken, mit denen wir Dinge abbilden können, die wir bisher noch nicht gesehen haben, schon immer fasziniert“, sagte Debsankar Saha Roy, Postdoktorand im Labor von Maxim Prigozhin an der Harvard University. „Wir bauen ein Mehrfarben-Elektronenmikroskop – eine Technik, die die Vorteile der Elektronenmikroskopie und der Fluoreszenzmikroskopie vereint.“
Die traditionelle Fluoreszenzmikroskopie funktioniert, indem man Leuchtmarkierungen an die gewünschten Proteine ??anbringt und diese dann mit sichtbarem Licht bestrahlt. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend zur Lokalisierung spezifischer Moleküle, hat aber erhebliche Einschränkungen. „Die Auflösung liegt bei etwa 250 bis 300 Nanometern, sodass man einzelne Proteine ??nicht klar erkennen kann“, erklärte Roy. „Das größere Problem ist jedoch, dass man die Zellstruktur nicht sieht. Man sieht zwar die markierten Moleküle, aber nicht die umgebende Struktur.“
Die Elektronenmikroskopie hingegen kann Zellstrukturen in höchster Detailgenauigkeit – bis hin zu wenigen Nanometern – darstellen, war aber bisher nicht in der Lage, spezifische Moleküle farblich zu identifizieren. Wissenschaftler haben versucht, die beiden Ansätze zu kombinieren, indem sie mit jeder Methode separate Bilder aufnahmen und diese anschließend übereinanderlegten. Die präzise Ausrichtung der Bilder, insbesondere bei großen Proben wie Hirngewebe, erwies sich jedoch als äußerst schwierig.
Die Lösung des Harvard-Teams ist elegant: Anstatt zwei separate Bildgebungssitzungen durchzuführen, verwenden sie einen einzigen Elektronenstrahl, um beide Aufgaben gleichzeitig zu erledigen.
„Wir senden kein Licht, sondern einen Elektronenstrahl“, erklärte Roy. „Wir verwenden Sonden, die an ein Protein gebunden werden können und sichtbares Licht aussenden, wenn sie durch Elektronen angeregt werden. Dieser Prozess heißt Kathodolumineszenz. So erhält man mit demselben Elektronenstrahl zwei Datensätze: das farbige Signal der Sonden und das detaillierte Strukturbild der Elektronen.“
Ein entscheidender Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass Forscher bereits vorhandene, weit verbreitete und gut charakterisierte Fluoreszenzfarbstoffe verwenden können. Das Team hatte zuvor Lanthanid-Nanopartikel als Sonden für die Mehrfarben-Elektronenmikroskopie entwickelt und arbeitet nun daran, diese an Proteine ??zu binden.
