Einzelereignisse auf Biomembranen

Der Ablauf zellulärer Prozesse erfordert im Allgemeinen das koordinierte Zusammenspiel einer Vielzahl von Biomolekülen. Für die Beschreibung solcher Prozesse ist es wichtig, die Abfolge der einzelnen Prozeßschritte isoliert zu betrachten. Dabei wesentliche Schritte umfassen die Assoziation der beteiligten Moleküle, deren Wechselwirkung, und schließlich die Auflösung des Komplexes. Mit herkömmlichen Methoden ist es sehr schwierig, solche zellulären Prozesse in ihrer zeitlichen Abfolge zu untersuchen. Die Entwicklung neuer Meßmethoden war notwendig, basierend auf der Untersuchung der einzelnen, am jeweiligen Prozeß beteiligten Moleküle. Solche Methoden wurden bereits zur Beobachtung isolierter Biomoleküle verwendet, die Anwendung auf das Studium lebender Zellen war hingegen noch nicht gelungen. Insbesondere das hohe Hintergrundsignal biologischer Zellen erschwerte solche Untersuchungen. Ziel dieses Projektes war es, einzelne Biomoleküle in ihrer zellulären Umgebung während der Ausübung ihrer Funktion zu beobachten. Dazu wurde zunächst die am Institut für Biophysik etablierte Methode des "Single Dye Tracing", also der optischen Verfolgung einzlener, mit einem Farbstoff versehener Biomoleküle, angewandt. Als erste Demonstration der Möglichkeiten dieser Methode wurde die Bewegung einzelner Lipid-moleküle in der Zellmembran von glatten Muskelzellen studiert. Alle Zellmembranen sind aus solchen Lipiden aufgebaut, wobei die Vielfalt unterschiedlicher Lipid-Arten zur Mikrostrukturierung der Membran führt. So konnten wir zeigen, daß manche Lipide in Domänen mit einer Größe von ca. 0.7m gefangen sind, während andere Typen diese Domänen kaum wahrnehmen. Diese Domänen sind mittlerweile zentrales Forschungsgebiet in den Biowissenschaften, weil sie die Funktionsweise von Proteinen beeinflußen, und damit wesentliche regulatorische Bedeutung für den Zellhaushalt aufweisen. Während diese, zwar ultra-sensitive, aber doch konventionelle Mikroskopie-Art beschränkt ist auf das Studium von Zellen, deren optisches Hintergrundsignal wesentlich geringer ist als das Signal einzelner Farbstoffmoleküle, liefert die alternative Methode der 2-Photonen-Mikroskopie qualitativ hochwertige Aufnahmen für nahezu alle Zellsysteme. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine solche Apparatur aufgebaut, und auf ihre Anwendbarkeit für ultrasensitive Studien einzelner Moleküle überprüft. Es konnte gezeigt werden, daß die Bewegung einzelner Lipide in Membranen verfolgt werden kann. Des weiteren wurde die Verteilung von Membran-Proteinen mit hoher Auflösung dargestellt.