Wissenschaftler eröffnen neue Horizonte für die Kryomikroskopie

7. Juni 2023

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von Sandrine Perroud, Eidgenössische Polytechnische Schule Lausanne

Wissenschaftler der EPFL haben ein neues Forschungsinstrument zur Beobachtung biologischer Gewebeproben entwickelt, die mit einer Methode hergestellt wurden, die vor etwa vierzig Jahren vom Nobelpreisträger Jacques Dubochet, emeritierter Professor an der Universität Lausanne, entdeckt wurde. Ihr weltweit einzigartiges Instrument eröffnet vielversprechende neue Wege der Forschung.

Es dauerte fast 10 Jahre und mehrere Prototypen, bis Prof. Anders Meibom und seine Forschungsgruppe es endlich schafften. Es ist ihnen nun gelungen, eine Analysemethode namens nanoskalige Sekundärionenmassenspektrometrie (NanoSIMS) zu verbessern, indem sie eine CryoNanoSIMS-Maschine gebaut haben – ein Instrument, das die chemische und isotopische Zusammensetzung vitrifizierter Gewebeproben analysieren kann.

Das von ihnen verwendete Probenvorbereitungsverfahren wurde in den 1980er Jahren vom bekannten Waadtländer Biophysiker Jacques Dubochet entwickelt – der für diesen Durchbruch 2017 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Dieser Prozess, der die Grundlage der modernen kryogenen Elektronenmikroskopie bildet, bewahrt alle Bestandteile einer biologischen Probe in ihrem reinsten postmortalen Zustand. Die CryoNanoSIMS-Maschine der Forschungsgruppe und ihre potenziellen Vorteile werden in einem in BMC Biology veröffentlichten Artikel beschrieben.

„Wir sind jetzt in der Lage, Bilder davon zu erstellen, wo genau in einer Zell- oder Gewebeprobe ein bestimmter Nährstoff gespeichert oder verwendet wird oder wo ein bestimmtes Medikament eindringt – oder 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 außerdem Professor an der Universität Lausanne (UNIL) ist.

Mit der CryoNanoSIMS-Maschine können Wissenschaftler kryogenisch präparierte biologische Gewebeproben entnehmen – in denen keine Moleküle verloren gegangen oder gar verdrängt wurden – und direkt die genaue subzelluläre Verteilung von Verbindungen beobachten, die beispielsweise für die Behandlung von bakteriellen Infektionen und Krebs wichtig sind. Wissenschaftler können die Maschine auch verwenden, um die Verteilung von Spurenelementen im Pflanzengewebe zu visualisieren, was für die Verbesserung des Pflanzenwachstums und der Pflanzenproduktion sowie die Verfolgung von Umweltschadstoffen in Böden und Biofilmen von entscheidender Bedeutung ist. Und das alles mit einer subzellulären räumlichen Auflösung. „Unser CryoNanoSIMS-Instrument eröffnet völlig neue Forschungsmöglichkeiten“, sagt Meibom.

„In meinem Labor sind wir in vollem Gange und entwickeln ein intensives Forschungsprogramm rund um diese einzigartige Fähigkeit.“ Das CryoNanoSIMS-Labor von Meibom befindet sich an der UNIL und ist dort Teil des Centre for Advanced Surface Analysis, einem Konsortium aus Laboratorien der UNIL und der EPFL, die modernste Ausrüstung nutzen, um elementare und isotopische Oberflächenanalysen für ein breites Spektrum durchzuführen von Forschungsthemen von der Geologie bis zur Biologie. Dubochet kommentiert das neue Instrument als „eine wichtige Erweiterung des Gebiets der biologischen Chemie“.

Bereits mit ihrer Einführung vor rund 20 Jahren revolutionierte die NanoSIMS-Technologie den Bereich der Bildgebung. Dabei wird ein Ionenstrahl auf eine Probe gerichtet und Bilder mit einer Auflösung von 100 nm erzeugt. Die damit verbundenen Probenvorbereitungsmethoden führen jedoch alle zu einer gewissen Verzerrung der Gewebemorphologie und zum Verlust löslicher 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, darunter einen Flüssigstickstofftank, damit sie kryogene Proben aufnehmen kann.

„Es war äußerst schwierig, ein Instrument, das bei Raumtemperatur funktioniert, in ein Gerät umzuwandeln, das gefrorene Gewebeproben analysieren und die Probe dabei stundenlang kalt und stabil halten kann. Aber es ist uns gelungen und wir können jetzt völlig neue Informationen gewinnen“, sagt Meibom. „All dies wäre ohne die maschinenbaulichen Fähigkeiten der EPFL-Werkstätten und der Schweizer Firmen, mit denen wir zusammengearbeitet haben, um für bestimmte Teile das erforderliche Maß an Präzision zu erreichen, nicht möglich gewesen.“

Die Autoren der Studie testeten ihre CryoNanoSIMS-Methode an Proben der Grünen Hydra, einem kleinen Tier, das in Süßwasserteichen und Seen, unter anderem in der Schweiz, lebt. Mit dem CryoNanoSIMS konnten sie direkt beobachten, wie dieses Tier Ammonium aufnimmt und assimiliert, einen Schlüsselnährstoff für viele Wasserorganismen.

Der nächste Schritt besteht darin, die Methode auf Korallen anzuwenden – ein weiteres Fachgebiet in Meiboms Labor –, damit Wissenschaftler die Symbiosemechanismen zwischen Algen und Korallen untersuchen und die Faktoren bestimmen können, die zum Bleichen und Absterben von Korallen führen.

Mehr Informationen: Anders Meibom et al., Korrelierte Kryo-SEM- und CryoNanoSIMS-Bildgebung von biologischem Gewebe, BMC Biology (2023). DOI: 10.1186/s12915-023-01623-0

Zeitschrifteninformationen:BMC-Biologie

Zur Verfügung gestellt von der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne