Wissenschaftler haben erstmals lebende biologische Zellen mit hochenergetischer Röntgenstrahlung untersucht – und deutliche Unterschiede der inneren Zellstruktur im Vergleich zu toten, sogenannten chemisch fixierten Zellen gefunden.
Dank der immer feineren Untersuchungstechniken können Wissenschaftler biologische Zellen heute auf der Ebene einzelner Moleküle erforschen. Häufig werden die Zellen chemisch fixiert, bevor sie mit dem Licht-, Röntgen- oder Elektronenmikroskop untersucht werden. Dazu werden sie in einer Art Konservierungsmittel gebadet, das sämtliche Organellen der Zelle und selbst die vorhandenen Proteine an Ort und Stelle fixiert. „Dabei lässt sich nicht vermeiden, dass man die innere Struktur dieser Zellen geringfügig verändert“, betont Arbeitsgruppenleiterin Prof. Sarah Köster vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen. „Mit unserer Untersuchung konnten wir diese Differenzen nun erstmals im direkten Vergleich zeigen. Wir hatten mit dem neuen Verfahren erstmals Gelegenheit, die innere Struktur lebender Zellen in ihrer natürlichen Umgebung mit harter Röntgenstrahlung zu erkunden.“
Für die Analyse verwendete das Team Krebszellen aus der Nebennierenrinde. Diese Zellen wuchsen auf einem Träger aus Siliziumnitrit, der für Röntgenlicht nahezu durchsichtig ist. Um die Zellen während der Untersuchung am Leben zu erhalten, wurden sie in der Messkammer über feine, nur 0,5 mm breite Kanäle mit Nährstoffen versorgt und gleichzeitig ihre Stoffwechselprodukte abgepumpt. „Die biologischen Zellen befinden sich somit in einer Probenumgebung, die ihrer natürlichen Umgebung sehr nahe kommt“, erläutert Erstautorin Dr. Britta Weinhausen aus der Gruppe von Prof. Köster.
Die Experimente wurden am sogenannten Nanofokus-Setup (Ginix) der Messstation P10 am Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy durchgeführt. Mit dem hellen Röntgenstrahl von Desys Forschungslichtquelle Petra III rasterten die Wissenschaftler die Zellen ab, um Information über ihre innere Nanostruktur zu gewinnen. „Um die lebenden Zellen nicht zu schnell zu beschädigen, haben wir jede Aufnahme nur 0,05 Sekunden belichtet“, erläutert Ko-Autor Dr. Michael Sprung von Desy. „Dank der hohen Brillanz von Petra III in Verbindung mit dem darauf abgestimmten Ginix-Aufbau lassen sich dabei noch Nanometer-kleine Strukturen messen.“
Mit Hilfe dieser so genannten Nanodiffraktion untersuchten die Forscher lebende Zellen und chemisch fixierte Zellen und verglichen anhand der Röntgenstreubilder die innere Struktur der Zellen. Ergebnis: Auf der Größenskala von 30 bis 50 nm kommt es durch die chemische Fixierung zu merklichen Unterschieden in der Zellstruktur.
Mit der neuen Untersuchungstechnik wird es künftig möglich, unveränderte lebende Zellen mit hoher Auflösung zu untersuchen. Die Forscher stellen ihre Arbeit im Fachjournal „Physical Review Letters“ vor.
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