Zellmembranen hoch aufgelöst

Feinste Details mit Expansionsmikroskopie abbilden

Mit der Expansionsmikroskopie lassen sich erstmals auch feinste Details von Zellmembranen abbilden. Das kann neue Einblicke in bakterielle und virale Infektionsprozesse bieten. Bisher war die Methode auf Proteine beschränkt.

Sphingolipid-Expansionsmikroskopie (ExM)

Sphingolipid-Expansionsmikroskopie (ExM) von zehnfach expandierten Zellen, die mit Chlamydien infiziert wurden. Grün markiert sind die Bakterienmembranen; die innere und die äußere Membran der Bakterien lassen sich unterscheiden (c). Unter (a) konfokales Laser-Scanning und unter (b) Strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM). Maßstabsbalken: 10 bzw. 2 Mikrometer in den kleinen weißen Rechtecken. | Bild: Arbeitsgruppe Sauer / Universität Würzburg

Mit der Expansionsmikroskopie (ExM) lassen sich Zellen und ihre Bausteine mit einer räumlichen Auflösung weit unterhalb von 200 Nanometern abbilden. Dazu werden die Proteine der zu untersuchenden Probe in ein schwellbares Polymer vernetzt. Nach der Zerstörung der Wechselwirkungen zwischen den Molekülen können die Proben mit Wasser um ein Vielfaches ausgedehnt werden. Das macht detaillierte Einblicke in ihre Strukturen möglich.

„Diese Methode war bisher auf Proteine beschränkt. Im Journal Nature Communications stellen wir jetzt eine Möglichkeit vor, wie wir auch Lipide und damit Zellmembranen expandieren können“, sagt Professor Markus Sauer, Experte für hochauflösende Mikroskopie vom Biozentrum der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Beteiligt an der Publikation sind auch die JMU-Professoren Thomas Rudel (Mikrobiologie) und Jürgen Seibel (Chemie).

In einem schwellbaren Polymer vier- bis zehnfach expandieren

Das Team von Jürgen Seibel hat funktionalisierte Sphingolipide synthetisiert, die ein wichtiger Bestandteil von Zellmembranen sind. Gibt man diese Lipide zu Zellkulturen, werden sie in die Zellmembranen eingebaut. Im Anschluss lassen sie sich mit einem Farbstoff markieren und in einem schwellbaren Polymer vier- bis zehnfach expandieren.

Darstellung des optimierten Farbstranges

DNA-PAINT nutzt DNA-basierte Sonden um kleinste zelluläre Strukturen sichtbar zu machen. Bislang war die Technik durch vergleichsweise langsame Bildaufnahme limitiert. Ein optimiertes DNA-Sequenzdesign erlaubt es nun, Ergebnisse 10-fach schneller zu erhalten und ebnet den Weg zu Hochdurchsatzstudien mit biomedizinischer Relevanz.

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Die JMU-Forscher zeigen, dass sich auf diese Weise – in Kombination mit der Strukturierten Beleuchtungsmikroskopie (SIM) – erstmals verschiedene Membranen und ihre Wechselwirkungen mit den Zellproteinen mit einer Auflösung von 10 bis 20 Nanometern abbilden lassen: Zellmembranen, die äußere und die innere Zellkernmembran und auch die Membranen intrazellulärer Organellen wie Mitochondrien.

Bakterielle Infektionsmechanismen untersuchen

Die Sphingolipide bauen sich außerdem hocheffizient in die Membranen von Bakterien ein. Damit können nun erstmals Krankheitserreger wie Neisseria gonorrhoeae, Chlamydia trachomatis und Simkania negevensis in infizierten Zellen in einer Auflösung dargestellt werden, die bisher nur mit der Elektronenmikroskopie erreicht wurde. Sogar die innere und die äußere Membran von gramnegativen Bakterien lassen sich voneinander unterscheiden.

„Mit den neuen superauflösenden mikroskopischen Verfahren wollen wir jetzt bakterielle Infektionsmechanismen und Ursachen für Antibiotikaresistenzen untersuchen. Was wir dabei lernen, lässt sich womöglich für verbesserte Therapien nutzen“, sagt Professor Thomas Rudel, Experte für bakterielle Infektionen.

Nutzung auch bei Viren?

Womöglich integrieren sich die Sphingolipide auch in die Membran von Viren. Falls das gelingt, könnte man die Wechselwirkungen von Coronaviren mit Zellen erstmals lichtmikroskopisch in hoher Auflösung untersuchen. Die beschriebenen Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Graduiertenkollegs 2157 und 2581 finanziell gefördert.

 

Literatur:

Götz R, Kunz TC, Fink J, et al.: Nanoscale imaging of bacterial infections by sphingolipid expansion microscopy. Nat Commun 11, 6173 (2020), DOI: doi.org/10.1038/s41467-020-19897-1.


Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg