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Licht als filigranes Werkzeug

December 2015. Sternenlicht, Sonnenlicht, Laserlicht. Photosynthese, Biorhythmus, Winterblues. Lichtquellen und ihre Wirkung auf Lebewesen sind nahe liegende Assoziationen zum ausklingenden Jahr des Lichts. Doch der Blick in die Labore am Campus Riedberg zeigt: CEF-Forscher nutzen Licht inzwischen als filigranes Werkzeug, um Organismen bis auf die Ebene von Zellen und Molekülen zu erkunden, wie die aktuelle Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Forschung Frankfurt“ beleuchtet:

Die Devise: „Viel hilft viel“ ist nicht immer richtig – in der modernen Lichtmikroskopie ist das Gegenteil der Fall. Denn biologische Proben reagieren auf zu viel Licht wie auf einen starken Sonnenbrand. Ernst Stelzer vom Buchmann Institut für Molekulare Lebenswissenschaften hat eine besonders schonende, scheibenweise Beleuchtung entwickelt, mit der man sogar Wurzeln und tierischen Embryonen in 3-D beim Wachsen zusehen kann: Die Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie (LSFM). Die renomierte internationale Fachzeitschrift „Nature Methods“ wählte die LSFM zur Methode des Jahres 2014 und unterstrich damit ihr großes Potenzial für die moderne Zell- und Entwicklungsbiologie. Mehr ...

Eine Revolution in der zellbiologischen Forschung löste auch die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie aus, für die der Göttinger Physiker Stefan Hell zusammen mit Eric Betzig (Janelia), WE Moerner (Stanford) 2014 den Nobelpreis erhielt. Mit dieser Methode kann man die Beugungsgrenze des Lichts clever umgehen. Dazu heftet man fluoreszierende Farbstoffe an die Zielmoleküle – beispielsweise ein spezifisches Protein – und beleuchtet diese nacheinander. Das geschieht entweder nach einem stochhastischen Verfahren oder durch ein geeignetes Lichtmuster. Die Gruppe von Mike Heilemann vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie erzeugt damit Bilder, die dem Pointillismus in der Malerei ähneln. Mehr ...

Um das komplizierte Geschehen in der Zelle entschlüsseln zu können, nutzt die Gruppe von Alexander Heckel vom Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie lichtaktivierbare Moleküle als „Schalter“. Ein Beispiel sind Moleküle, welche die Basenpaarung von DNA und RNA beeinflussen. In der Leiterstruktur der DNA manipulieren die Wissenschaftler beispielsweise gezielt eine Sprosse, so dass die DNA unbrauchbar wird. Das dort eingebaute Molekül ist aber lichtempfindlich und kann mit Licht einer bestimmten Wellenlänge abgespalten werden. So wird die biologische Funktion zu einem gewünschten Zeitpunkt wiederhergestellt. Damit lässt sich detailgenau untersuchen, welche Rolle ein bestimmter Genbereich für die Funktion eines Organismus besitzt. Mehr ...

Robert Tampé und Kollegen am Institut für Biochemie setzen andere high-tech Methoden ein, um komplexe zelluläre Prozesse durch Licht zeitlich und räumlich präzise zu steuern. Um die Funktion und Wechselwirkung bestimmter Proteine in der Zelle zu verstehen, werden Moleküle wie das Tripeptid Glutathion zunächst mit Licht-aktivierbaren Schutzgruppen gezielt blockiert. Durch Licht wird die Schutzgruppe abgespaltet und das Protein aktiviert. Eingebettet in Hydrogele lassen sich zelluläre Vorgänge in 3-D unter dem konfokalen Rasterlasermikroskop räumlich und zeitlich hochaufgelöst verfolgen. Durch den  Einsatz eines Zwei-Photonen-Laser, der blockierte Moleküle äußerst minuziös und schneller aktivieren kann, wird die Auflösung noch deutlich verbessert. Zudem kann der Laserstrahl vergleichsweise tief in Gewebe eindringen. Mehr ...

Mit der Optogenetik hat sich in der Neurowissenschaft eine Revolution vollzogen, erläutert Ernst Bamberg vom Max-Planck-Institut für Biophysik. Die Optogenetik erlaubt, Nervenzellen einfach mit Licht und mit bis dato nicht gekannter Genauikeit zeitlich und räumlich eletrodenfrei an- und abzuschalten. Dies wird durch die Einbringung genetisch codierter Lichtschalter, sogenannter mikrobieller Rhodopsine, in den Nervenzellen erreicht. Die Methode, die in Frankfurt und Regensburg in 2002 ihren Ursprung genomment hat, wird heute in der Neurobiologie weltweit eingesetzt. Neben der Grundlagenforschung eröffnen sich dank der Optogenetik auch neue biomedizinische Perspektiven zur Gentherapie neurodegenerativer Krankheiten. Mehr ...

Der kleine Fadenwurm Caenorhabditis elegans ist einer der ersten und bis heute wichtigsten Modellorganismen der Optogenetik. Vor zehn Jahren gelang es Alexander Gottschalk zusammen mit Ernst Bamberg und Georg Nagel erstmals, ein Tier genetisch mit lichtaktivierbaren Ionenkanälen auszustatten und seine Bewegung mit Licht zu steuern. Inzwischen studieren Forscher an dem durchsichtigen Wurm auch Prozesse, die für die medizinische Forschung unmittelbar bedeutsam sind - etwa die Entstehung und Behandlung genetisch bedingter Herz-Rhythmus-Störungen. Mehr ...

Photosynthese und Photovoltaik basieren beide auf dem grundlegenden Konzept, Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Während chlorophyllbasierte Systeme eine Quantenausbeite von nahezu 100 Prozent aufweisen, reichen Photovoltaik-Zellen an die Perfektion dieser natürlichen Systeme noch lange nicht heran. Die Echtzeitbeobachtung der ultraschnellen natürlichen Prozesse und das daraus resultierende molekulare Verständnis der Photoreaktionen in natürlichen Systemen ist ein zentrales Forschungsthema der Gruppe von Josef Wachtveitl am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie.  Um von der Natur zu lernen, schauen die Forscher ihr mit ultraschnellen spektroskopischen Methoden wie der Anreg-Abtast-Spektroskopie in die Karten. Mehr ...