3D unterm herkömmlichen Mikroskop

Göttinger Forschern ist es erstmals gelungen, Proteine in 3D-Form unter einem herkömmlichen Mikroskop abzubilden. Künstliche Intelligenz macht es möglich.

Wissenschaftler der Universitätsmedizin Göttingen haben ein neues Verfahren entwickelt, das es erstmals erlaubt, die 3D-Form von Proteinen mit einem herkömmlichen Mikroskop abzubilden. Die mit Künstlicher Intelligenz kombinierte One-step Nanoscale Expansion (ONE)-Mikroskopie erkennt Strukturveränderungen geschädigter oder toxischer Proteine in menschlichen Proben. Erkrankungen wie beispielsweise Parkinson, die auf Proteinfehlfaltungen beruhen, könnten somit frühzeitig erkannt und behandelt werden. Die ONE-Mikroskopie wurde von der Zeitschrift Nature als eine der „sieben Technologien, die man 2024 im Auge behalten sollte“ bezeichnet, und die Arbeit dahinter heute in Nature Biotechnology veröffentlicht.

Denn bisher war die Darstellung einzelner Moleküle oder die Organisation molekularer Komplexe mittels Fluoreszenzmikroskopie ausschließlich mit teuren strukturbiologischen Methoden wie der Elektronenmikroskopie (EM) und insbesondere der Kryo-EM möglich. Dafür wurde die Proben mit einem sehr starken Elektronenstrahl bei extrem niedriger Temperatur abgebildet.

Ein Forscherteam unter Leitung von Prof. Dr. Silvio O. Rizzoli, Direktor der Instituts für Neuro- und Sinnesphysiologie der Universitätsmedizin Göttingen (UMG), und Dr. Ali Shaib, Gruppenleiter im Institut für Neuro- und Sinnesphysiologie der UMG, hat nun mit ein paar einfachen, aber effektiven Tricks eine Methode entwickelt, um einzelne Moleküle mit herkömmlicher Lichtmikroskopie detailgenau darzustellen.

Probenvolumen vergrößern

Konkret wird bei dem neuen Verfahren das Volumen der Probe vergrößert, indem die Zellen und die darin enthaltenen Strukturen auf ein wasserabsorbierendes Gel gebunden werden, welches in die Zellen eindringt. Durch die Aufnahme von Wasser vergrößert sich das Gel bis auf das 15-fache seines Volumens. Die Moleküle in der Probe bewegen sich dadurch gleichmäßig auseinander und werden ebenfalls größer, so dass sie nach gezielter Markierung mit fluoreszierenden Molekülen mit einem Lichtmikroskop abgebildet werden können. Kombiniert mit einem auf Künstlicher Intelligenz basierenden Verfahren zur Auswertung der Fluoreszenzveränderungen, gelang den Wissenschaftlern erstmals, was bisher nur mit der hochauflösenden Kryo-Elektronenmikroskopie und Röntgentechnologie möglich war.

 „Wir sind jetzt in der Lage, 3D-Proteinstrukturen aus zweidimensionalen Fluoreszenzbildern zu rekonstruieren,“ erklärt Prof. Rizzoli. Dies biete eine noch nie dagewesene Möglichkeit, feine strukturelle Details einzelner Proteine sowie von Multiproteinkomplexen in Zellen direkt darzustellen. Auch Veränderungen in der räumlichen Struktur von Proteinen sind mit der ONE-Mikroskopie leicht aufzudecken. In einer Kooperation mit Kollegen aus Göttingen und Kassel konnten molekulare Proteinaggregate, die typisch für die Parkinson-Erkrankung sind, in Hirnwasser-Proben von Patienten abgebildet und klassifiziert werden. Das sei vielversprechend für eine verbesserte Früherkennung der Parkinson-Erkrankung, von der weltweit Millionen Menschen betroffen sind.

Einfach und kostengünstig

Die ONE-Mikroskopie ist ein einfaches und kostengünstiges Verfahren, das in jedem Labor mit einem herkömmlichen Mikroskop durchgeführt werden kann und ein Auflösungsniveau im Bereich von etwa einem Nanometer erreicht. Das ist rund 100.000-fach kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Die benötigte Software stellen die Autoren als kostenloses Open-Source-Paket zur Verfügung.