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Mit STORM in neue Dimensionen

Friday, 27. May 2011

Wie bei einem Nachtflug über eine belebte Metropole blinken bunte Lichtsignale und fügen sich zusammen zu gestochen scharfen Strukturen. Es sind feinste Zellstrukturen, die im Mikrokosmos weniger Nanometer sichtbar werden. Wissenschaftler des Heinrich-Pette-Instituts (HPI) in Hamburg testen und optimieren derzeit exklusiv in Deutschland eine Innovation der Firma Nikon, die diese spektakulären Bilder ermöglicht, das N-STORM. Vom 8. bis 9. Juni findet hierzu ein wissenschaftliches Symposium mit Workshop am HPI statt.

Das hochauflösende Fluoreszenz-Lichtmikroskop N-STORM wurde durch die amerikanische Biophysikerin und Professorin an der Harvard Universität Xiaowei Zhuang entwickelt und von der Firma Nikon in Lizenz gebaut. Es ist ein Durchbruch in der Lichtmikroskopie. Rudolph Reimer, der am Heinrich-Pette-Institut am N-STORM forscht, ist fasziniert von der neuen Technologie: „N-STORM ist kein herkömmliches Fluoreszenz-Mikroskop, sondern es basiert auf einem völlig neuen Prinzip. Wir verwenden hier leuchtende Farbstoffe, die photochemisch an- und ausgeschaltet werden können, die blinken. Der zu Grunde liegende Mechanismus ist überhaupt erst seit dem Jahr 2009 bekannt.“

Bisher konnten im Lichtmikroskop unterhalb von 300 Nanometern keine klaren Strukturen und Details mehr dargestellt werden und fluoreszierende Lichtsignale erschienen in diesem Grenzbereich als diffuse Lichtnebel, die permanent leuchteten. Mit N-STORM, dessen Bezeichnung für Stochastic Optical Reconstruction Microscopy steht, wurde diese magische Grenze überwunden. Dafür wurden nicht nur neue optische und analytische, sondern auch innovative biochemische Methoden entwickelt. Die STORM-Technologie beruht auf Cyanin-Farbstoffen, die zwei Ringsysteme enthalten, welche über Kohlenstoffbrücken miteinander verbunden sind. Sobald Zellen, welche zuvor mit den Farbstoffen markiert wurden, mit einem Thiol-haltigen Puffer bedeckt werden, beginnen die Cyanine unter Rotlichtanregung nach dem Zufallsprinzip zu blinken. Einzelne in der Zelle angefärbte Moleküle sind dadurch besser abzugrenzen. Eine Kamera nimmt in tausenden Bildern diesen dynamischen Prozess auf, errechnet aus der Gauß-Verteilung der Lichtsignale die exakte Position der Punkte und entwickelt daraus gestochen scharfe dreidimensionale Bilder.

Mit N-STORM können erstmals Details in zellulären Strukturen dargestellt werden, die nur 20 Nanometer auseinander liegen. Damit dringt die Lichtmikroskopie in neue Dimensionen vor und es lassen sich jetzt auch Moleküle abbilden, die bisher ausschließlich im Elektronenmikroskop sichtbar waren. Heinrich Hohenberg, der Leiter der Imaging-Forschungsgruppe am HPI, in der seit dem Jahr 2009 das norddeutsche Nikon-Applikationszentrum beheimatet ist, sieht hier ein enormes Potenzial: „Das ist ein großer Fortschritt, denn bisher ließen sich im Elektronenmikroskop mit ähnlicher Detailschärfe nur dünne Zellschichten abbilden. Jetzt können wir mit N-STORM ganze Zellverbände untersuchen und innerhalb der Zellverbände unterschiedlichste Moleküle und Strukturen bis auf 20 nm genau sichtbar machen, indem wir sie mit verschiedenen Cyanin-Farbstoffen markieren. Das wird für die Virusforschung am Heinrich-Pette-Institut neue spektakuläre Einblicke in infizierte Zellen und Gewebe ermöglichen.“

Rudolph Reimer erklärt, warum das Gerät exklusiv am HPI getestet wird: „Während die Optik enorme Fortschritte gemacht hat, sind die Verfahren, mit denen im Labor Zell- und Gewebepräparate für die Lichtmikroskopie vorbereitet werden, noch nicht an die neue Detailschärfe angepasst. Dafür brauchen wir auch neue schonende Mikro-Präparationsmethoden. Das sind Methoden, die wir am Heinrich-Pette-Institut in den letzten Jahren für die Elektronenmikroskopie entwickelt haben und nun in die STORM-Technologie einbringen können. Damit lassen sich die feinen Strukturen mit STORM überhaupt erst lebensnah abbilden.“ Jörg Kukulies von der Firma Nikon bestätigt: „Diese Erfahrung am HPI ist für uns wichtig, um N-STORM für die Wissenschaft noch attraktiver zu machen.“

Super-Resolution Microscopy
Wissenschaftliches Symposium zu N-STORM am 8. Juni 2011, 14:00 - 17:30 Uhr
Ort: Heinrich-Pette-Institut, Ferdinand-Bergen-Auditorium, Martinistraße 52, 20251 Hamburg


Programm 8. Juni 2011:
14:00  Welcome notes
Prof. Joachim Hauber, Dr. Jörg Kukulies, Dr. Heinrich Hohenberg
14:15 New Methods – New Insights: Advances in Microscope Design and Revolutions in Cell Biology, Prof. Dieter Weiss, Institut für Zelltechnologie, Rostock
15:15 Light Microscopy beyond the Diffraction Limit. Nikons new Super-Resolution Microscope Systems N-SIM and N-STORM, Dr. Frank van den Boom, Nikon GmbH
15:45 coffee break
16:00 Super-Resolution of Destruction: Rethinking the Preparation Methods, Dr. Rudoph Reimer, HPI
16:30 Imaging Cellular Structures with Near-Molecular Resolution using Photoswitchable Fluorophores, Prof. Mike Heilemann, Biozentrum Würzburg

Die innovative Bildgebung der N-STORM Technologie wird im Rahmen des wissenschaftlichen Symposiums am 8. Juni und in einem anschließenden Workshops am 9. Juni 2011 am Heinrich-Pette-Institut vorgestellt. Die Veranstaltungen sind kostenlos und finden mit freundlicher Unterstützung der Firma Nikon statt.
Wir bitten um Anmeldungen zum Workshop bei Herrn Dr. Rudoph Reimer.