UFZ-Newsletter Mai 2015

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ UFZ-Newsletter | Mai 2015 5 weiterer hochspezialisierter instrumente integriert, die Richnow über Fördermittel erworben hat. Das Heliumionenmikroskop beispielsweise kann dank seiner extrem hohen auflösung Oberflächenstrukturen wie ionenkanäle, Zellmembranen oder Proteine bis in den Subnanometerbereich sichtbar machen. So lassen sich Wechselwirkungen der metallischen Rohstoffe mit dem Biofilm im Überblick erfassen. „im Vergleich zu herkömmlichen Elektronenmikroskopen hat es eine höhere auflösung“, erklärt Richnow. Die Probe müsse nicht zusätzlich – wie sonst üblich – mit Gold bedampft werden, um die aufladung zu vermeiden. Hinzu kommt das neue Raman-Mikroskop, das molekulare Zellbausteine sichtbar macht. Dadurch lassen sich isotopenmuster in Zellbausteinen erken- nen. „Weil Licht durch Wasser kaum gestört wird, können wir im Raman-Mikroskop aqua- tische Biofilme in ihrem natürlichem Habitat – also in wässriger Phase – untersuchen“, sagt Richnow. Und bei biochemischen Frage- stellungen können die Wissenschaftler bei ProViS künftig auf ein FT-ICR-MS setzen. Mit diesem speziellen Massenspektrometer könnten z.B. in Hirnzellen komplexe Verbin- dungen nachgewiesen werden, um Bindungs- formen von Medikamenten zu untersuchen oder strukturelle informationen über die Bin- dung chemischer Substanzen zu visualisieren. perfekte proben Doch die neuen Hightech-Geräte können ihre maximale Leistungsfähigkeit bei der Erkundung zellulärer Strukturen nur dann entfalten, wenn die Proben perfekt vorbe- reitet sind. Für den Einsatz beispielsweise in der NanoSiMS müssen die Proben ins Vakuum gebracht werden; das Wasser muss also aus der Zelle entfernt werden. „Das hat den Nachteil, dass sich die chemischen und biologischen Strukturen des Materials verändern können, weshalb die Proben sehr schonend getrocknet werden müssen“, sagt Richnow. Möglich ist zum Beispiel die Gefriertrocknung der Probe. Doch dadurch schrumpft der Organismus, Zellen können Schaden nehmen. Eine andere Möglichkeit ist, Wasser gegen alkohol auszutauschen. Damit verändert sich aber der chemische Zustand. am besten erhalten bleibt die Zelle, wenn es gelingt, das Wasser auf bis zu mi- nus 150 Grad Celsius schockzufrieren. Zwar geht auch dabei Wasser verloren, doch die Zellorganellen schrumpfen nur und werden kaum verändert. Chemische Komponenten wie etwa Proteine oder Lipide bleiben in ihrer biologischen anordnung erhalten. Sind die Proben gefroren, lassen sie sich in hauchdünne, bis etwa 50 Nanometer „dicke“ Scheiben schneiden und in Massenspektro- metern und Mikroskopen untersuchen. „Wir haben alle Möglichkeiten vor Ort. Welche Methode wir nutzen, um die Proben vorzu- bereiten, hängt immer von der Fragestellung ab“, sagt Richnow. Vielfältige kooperationen Reichlich Erfahrung mit solchen Hightech- Geräten haben bislang in Deutschland nur wenige Forscherinnen und Forscher gesammelt. Eine von ihnen ist Dr. Niculina Muşat. Die 41-jährige Molekularbiologin forscht seit drei Jahren am UFZ. Sie ist am Department für isoptopenbiogeochemie für alle biologischen Fragen rund um die neue Technologieplattform zuständig. Mit der Na- noSiMS hat Muşat zuvor bereits am Bremer Max-Planck-institut für Marine Mikrobiologie gearbeitet und dabei eine Lebensgemein- schaft – bestehend aus einem Cyanobakte- rium und einer einzelligen alge – entdeckt, die hilft, den Ozean zu düngen. Eine überaus wichtige Entdeckung, denn dadurch lässt sich der Stickstoff- und Kohlenstoffhaus- halt in den Meeren besser verstehen. „Das Besondere an der NanoSiMS ist, dass wir Elemente und isotope zur Markierung von Mikroben nutzen können, mit dem Ziel, die Funktion von Mikoorganismengruppen in ihrer natürlichen Umgebung zu untersu- chen“. Muşats aufgabe ist, Forschergruppen mit Postdocs und Doktoranden aufzubauen, Die ToF-sIMs – ebenfalls ein sekundärionen-Massenspektrometer – kann ergänzend zur NanosIMs detaillierte Informationen zur räumlichen Anordnung molekularer Bausteine in Zellen liefern. Dr. Hryhoriy stryhanyuk, spezialist für experimentelle Festkörperphysik, ist seit 2012 am UFZ, um sIMs-Experimente zu entwickeln und zu betreuen. (Foto: André Künzelmann, UFZ) Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ UFZ-Newsletter | Mai 20155

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