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Scharfe Bilder ohne Phasenkontrast

3D-Kryo-Elektronenmikroskopie: Neues Verfahren für Beobachtung der Zellstruktur

Jülich, 18. Februar 2014 – Die 3D-Kryo-Elektronenmikroskopie verschafft Wissenschaftlern einzigartige Einblicke in die Struktur biologischer Proben. Da die Zellen selbst relativ kontrastarm sind, kommt in der Regel das sogenannte Phasenkontrastverfahren zum Einsatz, das aber die Beschaffenheit der Proben und das Auflösungsvermögen einschränkt. Als Alternative haben Wissenschaftler des Ernst Ruska-Centrums und des israelischen Weizmann Institute of Science nun ein Verfahren vorgestellt, mit dem insbesondere auch dickere Proben in 3D hochaufgelöst erfasst werden können. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Methods (doi: 10.138/nmeth.2842) veröffentlicht.

Bei der 3D-Kryo-Elektronenmikroskopie werden die Proben zunächst schockgefroren und anschließend unter dem Elektronenmikroskop aus verschiedenen Winkeln durchleuchtet. Die Methode hat sich insbesondere bewährt, um unversehrte, wasserhaltige Objekte in ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen. Diese lassen sich häufig nicht einfärben oder fixieren ohne wichtige Strukturmerkmale zu verlieren. Das Phasenkontrastverfahren beruht darauf, dass sich der Elektronenstrahl in der Probe mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreitet. Durch den entstandenen Phasenunterschied treten strukturelle Unterschiede deutlicher hervor. Diese Kontrastverstärkung hat aber ihren Preis. Sie verringert das Auflösungsvermögen und ist nur auf sehr dünne Proben anwendbar, da die Probe zur Erhöhung des Phasenkontrasts ein Stück weit aus dem Fokus gerückt wird.

Die sogenannte Raster-Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (STEM, "scanning transmission electron microscopy") unterliegt dagegen nicht denselben Einschränkungen. Hierbei wird die Probe mit einem stark gebündelten Elektronenstrahl gerastert. Am Computer werden die Signale anschließend zu einem Bild zusammengesetzt. Zur Kontrastverstärkung wird dabei der an der Probe abgelenkte Anteil des Elektronenstrahls ausgenutzt. "Das Verfahren hat sich seit langem in der Materialforschung bewährt, etwa zur Untersuchung von Halbleitern. Bisher ging man aber davon aus, dass unbehandelte biologische Proben den Elektronenstrahl für STEM zu schwach streuen", erklärt Dr. Lothar Houben vom Ernst Ruska-Centrum (ER-C) für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen.

Durch eine unkonventionelle Anordnung der Detektoren und geeignete Gestaltung der Elektronensonde gelang es den Wissenschaftlern, den an der Probe gestreuten Elektronenstrahl dennoch zu erfassen. "Solche kleinen Streuwinkel hatte bisher einfach noch niemand bei der Messung ernsthaft berücksichtigt", so Houben, gleichzeitig tätig am Jülicher Peter Grünberg Institut.

Das neue Verfahren hat den Vorteil, dass es deutlich unempfindlicher auf diejenigen physikalischen Wechselwirkungen des Elektronenstrahls mit der Probe reagiert, bei denen das Elektron Energie auf die Probe überträgt anstatt nur abgelenkt zu werden. Letztere Prozesse sind aber bei organischen Proben dominierend. Damit ist STEM insbesondere dazu geeignet, dickere organische Proben vollständig in allen Raumdimensionen zu erfassen.

3D-Aufnahme3D-Aufnahme einer Gruppe von Bakterien des Typs Agrobacterium tumefaciens mittels Kryo-STEM. Zur Vergrößerung auf das Bild klicken.
Quelle: Nature Methods/Sharon Grayer Wolf, Lothar Houben & Michael Elbaum (Verwendung mit Quellenangabe im Kontext der Berichterstattung über die zugrundeliegende Nature-Publikation erlaubt.)

Vergleich: TEM (links) und STEM (rechts)Der Vergleich des gängigen Verfahrens TEM (links) mit STEM (rechts) anhand eines Querschnitts durch das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens verdeutlicht Vorteile bei der 3D-Rekonstruktion der Aufnahmen. Die weißen Pfeile zeigen auf die Bakterien-Membran, die schwarzen auf künstliche, erst bei der Rekonstruktion entstandene Artefakte. Die STEM-Aufnahme benötigte nur die halbe Dosis des Elektronenstrahls. Zum Vergrößern auf das Bild klicken.
Quelle: Nature Methods/Sharon Grayer Wolf, Lothar Houben & Michael Elbaum (Verwendung mit Quellenangabe im Kontext der Berichterstattung über die zugrundeliegende Nature-Publikation erlaubt.)

Originalpublikation:

Cryo-scanning transmission electron tomography of vitrified cells
Sharon Grayer Wolf, Lothar Houben & Michael Elbaum
Nature Methods (published online 16 February 2014), doi:10.1038/nmeth.2842
Download: http://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/full/nmeth.2842.html

Weitere Informationen:

Ernst Ruska-Centrum (ER-C) für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen
Peter Grünberg Institut, Mikrostrukturforschung (PGI-5)

Ansprechpartner:

Dr. Lothar Houben
Tel. 02461 61-8037
l.houben@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Tel. 02461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de


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