Die Visualisierung des Inneren von Zellen mit bisher unmöglichen Auflösungen ermöglicht anschauliche Einblicke in deren Funktionsweise

Oct 08, 2023

Professor für Computer- und Systembiologie, stellvertretender Senior-Vizekanzler für Wissenschaftsstrategie und -planung, University of Pittsburgh

Jeremy Berg arbeitet nicht für ein Unternehmen oder eine Organisation, die von diesem Artikel profitieren würde, berät sie nicht, besitzt keine Anteile daran und erhält keine Finanzierung von diesen und hat über ihre akademische Anstellung hinaus keine relevanten Verbindungen offengelegt.

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Alles Leben besteht aus Zellen, die mehrere Größenordnungen kleiner sind als ein Salzkorn. Ihre scheinbar einfach aussehenden Strukturen verbergen die komplizierte und komplexe molekulare Aktivität, die es ihnen ermöglicht, die lebenserhaltenden Funktionen auszuführen. Forscher sind nun in der Lage, diese Aktivität mit einem Detaillierungsgrad zu visualisieren, wie sie zuvor nicht möglich waren.

Biologische Strukturen können visualisiert werden, indem man entweder auf der Ebene des gesamten Organismus beginnt und sich nach unten vorarbeitet, oder indem man auf der Ebene einzelner Atome beginnt und sich nach oben vorarbeitet. Allerdings besteht eine Auflösungslücke zwischen den kleinsten Strukturen einer Zelle, etwa dem Zytoskelett, das die Zellform stützt, und ihren größten Strukturen, etwa den Ribosomen, die Proteine ​​in Zellen herstellen.

Analog zu Google Maps konnten Wissenschaftler zwar ganze Städte und einzelne Häuser sehen, verfügten jedoch nicht über die Werkzeuge, um zu sehen, wie die Häuser zu Stadtvierteln zusammengefügt wurden. Um zu verstehen, wie einzelne Komponenten in der Umgebung einer Zelle zusammenarbeiten, ist es wichtig, diese Details auf Nachbarschaftsebene zu sehen.

Neue Tools schließen diese Lücke stetig. Und die kontinuierliche Weiterentwicklung einer bestimmten Technik, der Kryo-Elektronentomographie oder Kryo-ET, hat das Potenzial, die Art und Weise, wie Forscher die Funktionsweise von Zellen bei Gesundheit und Krankheit untersuchen und verstehen, zu vertiefen.

Als ehemaliger Chefredakteur des Science-Magazins und als Forscher, der sich jahrzehntelang mit schwer darstellbaren großen Proteinstrukturen beschäftigt, habe ich erstaunliche Fortschritte bei der Entwicklung von Werkzeugen miterlebt, mit denen sich biologische Strukturen im Detail bestimmen lassen. So wie es einfacher wird, die Funktionsweise komplizierter Systeme zu verstehen, wenn man weiß, wie sie aussehen, ist das Verständnis, wie biologische Strukturen in einer Zelle zusammenpassen, der Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise von Organismen.

Im 17. Jahrhundert wurde erstmals die Existenz von Zellen durch Lichtmikroskopie nachgewiesen. Im 20. Jahrhundert lieferte die Elektronenmikroskopie noch mehr Details und enthüllte die komplizierten Strukturen innerhalb von Zellen, einschließlich Organellen wie dem endoplasmatischen Retikulum, einem komplexen Netzwerk von Membranen, die eine Schlüsselrolle bei der Proteinsynthese und dem Proteintransport spielen.

Von den 1940er bis 1960er Jahren arbeiteten Biochemiker daran, Zellen in ihre molekularen Bestandteile zu zerlegen und zu lernen, wie man die 3D-Strukturen von Proteinen und anderen Makromolekülen mit oder nahezu atomarer Auflösung bestimmen kann. Dies geschah zunächst mithilfe der Röntgenkristallographie, um die Struktur von Myoglobin sichtbar zu machen, einem Protein, das die Muskeln mit Sauerstoff versorgt.

Im letzten Jahrzehnt haben Techniken auf der Grundlage der Kernspinresonanz, die Bilder auf der Grundlage der Wechselwirkung von Atomen in einem Magnetfeld erzeugt, und der Kryo-Elektronenmikroskopie die Anzahl und Komplexität der Strukturen, die Wissenschaftler visualisieren können, rapide erhöht.

Bei der Kryo-Elektronenmikroskopie oder Kryo-EM wird mithilfe einer Kamera erfasst, wie ein Elektronenstrahl abgelenkt wird, wenn die Elektronen eine Probe passieren, um Strukturen auf molekularer Ebene sichtbar zu machen. Die Proben werden schnell eingefroren, um sie vor Strahlenschäden zu schützen. Detaillierte Modelle der interessierenden Struktur werden erstellt, indem mehrere Bilder einzelner Moleküle aufgenommen und zu einer 3D-Struktur gemittelt werden.

Cryo-ET hat ähnliche Komponenten wie Kryo-EM, verwendet jedoch unterschiedliche Methoden. Da die meisten Zellen zu dick sind, um klar abgebildet zu werden, wird ein interessierender Bereich in einer Zelle zunächst mithilfe eines Ionenstrahls ausgedünnt. Anschließend wird die Probe gekippt, um mehrere Bilder davon in unterschiedlichen Winkeln aufzunehmen, analog zu einem CT-Scan eines Körperteils – allerdings wird in diesem Fall das Bildgebungssystem selbst gekippt und nicht der Patient. Diese Bilder werden dann von einem Computer kombiniert, um ein 3D-Bild eines Teils der Zelle zu erstellen.

Die Auflösung dieses Bildes ist hoch genug, dass Forscher – oder Computerprogramme – die einzelnen Bestandteile verschiedener Strukturen in einer Zelle identifizieren können. Forscher haben diesen Ansatz beispielsweise genutzt, um zu zeigen, wie sich Proteine ​​in einer Algenzelle bewegen und abgebaut werden.

Viele der Schritte, die Forscher früher manuell durchführen mussten, um die Strukturen von Zellen zu bestimmen, werden automatisiert, sodass Wissenschaftler neue Strukturen wesentlich schneller identifizieren können. Beispielsweise kann die Kombination von Kryo-EM mit Programmen für künstliche Intelligenz wie AlphaFold die Bildinterpretation erleichtern, indem Proteinstrukturen vorhergesagt werden, die noch nicht charakterisiert wurden.

Wenn sich Bildgebungsmethoden und Arbeitsabläufe verbessern, werden Forscher in der Lage sein, einige Schlüsselfragen der Zellbiologie mit unterschiedlichen Strategien anzugehen.

Der erste Schritt besteht darin, zu entscheiden, welche Zellen und welche Regionen innerhalb dieser Zellen untersucht werden sollen. Eine andere Visualisierungstechnik namens korrelierte Licht- und Elektronenmikroskopie (CLEM) verwendet fluoreszierende Markierungen, um dabei zu helfen, Regionen zu lokalisieren, in denen interessante Prozesse in lebenden Zellen stattfinden.

Der Vergleich der genetischen Unterschiede zwischen Zellen kann zusätzliche Erkenntnisse liefern. Wissenschaftler können sich Zellen ansehen, die bestimmte Funktionen nicht erfüllen können, und sehen, wie sich dies in ihrer Struktur widerspiegelt. Dieser Ansatz kann Forschern auch dabei helfen, zu untersuchen, wie Zellen miteinander interagieren.

Cryo-ET dürfte noch einige Zeit ein Spezialwerkzeug bleiben. Aber weitere technologische Entwicklungen und eine zunehmende Zugänglichkeit werden es der wissenschaftlichen Gemeinschaft ermöglichen, den Zusammenhang zwischen Zellstruktur und -funktion auf bisher unzugänglichen Detailebenen zu untersuchen. Ich erwarte neue Theorien darüber, wie wir Zellen verstehen und von unorganisierten Molekülbeuteln zu kompliziert organisierten und dynamischen Systemen übergehen.