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Manuel Mörtelmaier - Wenn Moleküle raften gehen

Optische Einzelmolekül-Mikroskopie an Rafts

oder

Wenn Moleküle raften gehen

Manuel Mörtelmaier
angefertigt am Institut für Biophysik

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Jede biologische Zelle besitzt eine dünne, elastische Hülle aus fettähnlichen Molekülen, sogenannten Lipiden. Diese Zellmembran sorgt einerseits für den Zusammenhalt der Zelle, andererseits übernimmt sie auch zahlreiche Zellfunktionen. In den letzten Jahren hat sich das Bild, das sich die Wissenschaft vom Aufbau dieser Lipidmembran macht, stark verändert. Im Gegensatz zum traditionellen Modell, bei dem die verschiedenen Membranbausteine in einer homogenen Mischung vorliegen, weiß man heute, dass diese Komponenten in der lebenden Zelle in komplexer Weise organisiert sind. So nimmt man an, dass bestimmte Lipide sich bevorzugt zu kleinen „Inselchen“, „Rafts“, zusammenlagern, welche in der Zellmembran treiben und als Plattform für eine Vielzahl von Signalmolekülen dienen. Rafts spielen eine entscheidende Rolle für die korrekte Aktivierung von Zellen, und daher ist es auch nicht verwunderlich, dass eine Vielzahl von Krankheiten (AIDS, BSE, Alzheimer...) mit ihnen in Verbindung gebracht wird.

Es gibt noch deutliche Lücken in unserem Wissen über den Aufbau und die Funktion dieser Membranstrukturen; so sind etwa Größe, Verteilung und Beweglichkeit der Rafts noch weitgehend unbekannt. Mit der am Institut für Biophysik verwendeten Technik der Einzelmolekül-Mikroskopie steht uns nun eine leistungsfähige Methode zur Verfügung, die räumlich-zeitliche Organisation verschiedenster Zellbausteine mit großer Empfindlichkeit zu untersuchen (Figur 1). Damit wird es auch möglich, dynamische Prozesse innerhalb der Zellmembran abzubilden, so z.B. die natürliche Bewegung der Rafts, das Verschmelzen mehrerer Rafts, oder die Abspaltung eines kleinen Rafts von einem größeren (Figur 2). Darüberhinaus konnte bereits gezeigt werden, dass die Größe der beobachteten Strukturen unter 200 Nanometern liegt. (1 Nanometer ist ein 1/milliardstel Meter.)

Figur 1. Eine am Computer rekonstruierte Zelle, bei der durch Lipidfärbung die inhomogene Struktur der Zellmembran sichtbar gemacht wurde. Wir analysieren Größe, Struktur und Verteilung dieser Inhomogenitäten mit einer Auflösung bis hinunter zum einzelnen Molekül. (Der Schwarze Balken dient als Vergleichsmaßstab: er ist 5 Micron groß, also etwa 1/10 Haaresbreite.)

Figur 2. Wir sind auch in der Lage, dynamische Prozesse in Rafts live zu beobachten. Die hier dargestellten Einzelbilder eines von uns aufgenommenen Films zeigen die Zellmembran in Nahaufnahme mit sehr hoher Auflösung. Eines der hier sichtbaren Rafts (die hellblaue Struktur rechts oben im Blickfeld) spaltet sich ein zwei kleinere Rafts auf.

Obwohl in der wissenschaftlichen community ein sehr großes Interesse daran besteht, Rafts direkt im Mikroskop sichtbar zu machen, ist dies lange Zeit nicht zufriedenstellend möglich gewesen. Es hat sich in letzter Zeit vielmehr gezeigt, dass Rafts viel zu klein und zu dicht gepackt sind, um sie mit konventioneller Mikroskopie abzubilden. Unsere Ergebnisse demonstrieren aber, dass die hier verwendete Methode der Einzelmolekül-Mikroskopie ein wirklich vielversprechender Ansatz ist, um neue Einblicke in die Mikrostruktur der Zellmembran zu gewinnen.