200 kV Kryo-Transmissionselektronenmikroskop
Final Report Abstract
Die Bildung und Struktur von Amyloidfibrillen sind das übergreifende Thema der wissenschaftlichen Arbeiten des Instituts für Proteinbiochemie an der Universität Ulm. Amyloidfibrillen kommen im Zuge von Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson im Gehirn und in den Systemischen Amyloidosen in verschiedenen Organen z.B. Herz, Niere oder Leber vor. Teil der Bildung dieser Fibrillen ist das transiente Auftreten von präfibrillären Zwischenzuständen – sogenannten Oligomeren, die insbesondere in der Pathologie von neurodegenerativen Erkrankungen eine wesentliche Bedeutung haben. In den Systemischen Amyloidosen können sowohl Fibrillen als auch Oligomere bedeutsam sein. Schließlich kommt amyloidartigen Strukturen eine zunehmende Bedeutung als neuartige Nanomaterialien zu. Das Institut für Proteinbiochemie (Arbeitsgruppe Marcus Fändrich) untersucht insbesondere die medizinisch relevanten Amyloide (Fibrillen wie auch Oligomere), wobei künstliche Proteinstrukturen mit einem möglichen langfristigen Anwendungsbezug am Institut eine zunehmende Rolle spielen. Zur Charakterisierung und Darstellung von amyloiden Fibrillen und Oligomeren ist das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) für unsere Arbeiten entscheidend. Insbesondere verwenden wir hier kryo-elektronen-mikroskopische (kryo-EM) Verfahren zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Struktur von Aggregaten und Fibrillen. Hier liefert das angeschaffte Gerät einen wesentlichen Beitrag. Zum einen ist es das Gerät an der Universität Ulm, welches am besten für kryo-EM Untersuchungen ausgelegt ist, weil es eine Beschleunigungsspannung von 200 kV aufweist und mit einem direkten Elektronendetektor ausgestattet ist. Zum anderen solle es in Zukunft auch nutzbar sein, um mittels Raster-TEM die Masse von Fibrillen zu bestimmen und so zu messen, aus wie vielen Untereinheiten ein Aggregat aufgebaut ist. Die Zentrale Einrichtung Elektronenmikroskopie unterstützt die Nutzer bei der Präparation und Mikroskopie von elektronenmikroskopischen Proben und unterhält das dazu notwendige technische Equipment bestehend aus Präparationsgeräten und Elektronenmikroskopen. Eine unserer Schwerpunkte sind hierbei Kryopräparationen und dreidimensionale Datenerfassung von lebenswissenschaftlichen Proben. Wir konnten in früheren Arbeiten zeigen, dass hierfür Raster-TEM-Tomographie besonders gut geeignet ist, da hiermit größere Volumina analysiert werden können wie mit konventioneller TEM-Tomographie. Da wir die hierfür notwendigen Präparationstechniken (Hochdruckgefrieren, Gefriersubstitution, schneiden von ca. 0,5 bis 1 µm dicken Proben) schon etabliert hatten, konnten wir relativ schnell mit dem tomographischen Mikroskopieren der Proben beginnen. Die dazu notwendige Software von TVIPS war auch bereits vorhanden, und wir konnten sie mit der Hilfe von TVIPS in den letzten drei Jahren erheblich verbessern. Mittlerweile ist Raster-TEM-Tomographie auf dem neuen Gerät eine Routine-Methode, die wir für verschiedenste biologische Fragestellungen einsetzen. Neben Publikationen zu den Themen Struktur von Vaccinia Virus, Amyloide Plaques, Nanodiamant-Gold-Hybride in Zellen, und Strukturen der marinen Alge Emiliania huxleyi, kommt die Raster-TEM-Tomographie auch bei der Analyse von Synapsen zum Einsatz, in einem Projekt mit dem Institut für Anatomie und Zellbiologie, Universitätsklinikum Ulm. Mit einem Durchmesser von ca. 500 nm passen Synapsen in einen Schnitt von z. B. 750 nm. Sie lassen sich also in einem Schnitt vollständig rekonstruieren und es sind zur dreidimensionalen Darstellung nicht mehr mehrere Serienschnitte erforderlich. Ebenso sind auch Zentrosomen, bestehend aus zwei Zentriolen mit einem Durchmesser von ca. 400 nm in einem Schnitt darstellbar mit Raster-TEM-Tomographie. Diese Arbeiten erfolgen in Kooperation mit dem Institut für Biochemie, Universitätsklinikum Ulm. Wir haben 2016 über eine Endozytoseform in Makrophagen berichtet, die wir Megapinozytose nannten. Bei weiteren Untersuchungen dieser Megapinosomen mit dem neuen Gerät konnten wir mit Raster-TEM-Tomographie ein ausgeprägtes Tubuläres Netzwerk erkennen, das so noch nicht beschrieben worden ist.
Publications
- (2016) Fluorescent nanodiamond-gold hybrid particles for multimodal optical and electron microscopy cellular imaging. Nano Lett. 16, 6236-6244
Liu W, Naydenov B, Chakrabortty S, Wünsch B, Hübner K, Ritz S, Cölfen H, Barth H, Koynov K, Qi H, Leiter R, Reuter R, Wrachtrup J, Boldt F, Scheuer J, Kaiser U, Sison M, Lasser T, Tinnefeld P, Jelezko F, Walther P, Wu Y, Weil T
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b02456) - (2017) Amyloid plaque structure and cell surface interactions of β-amyloid fibrils revealed by electron tomography. Sci Rep. 2017 Feb 27;7:43577
Han S, Kollmer M, Markx D, Claus S, Walther P, Fändrich M
(See online at https://doi.org/10.1038/srep43577) - (2017) The armadillo protein p0071 controls KIF3 motor transport. J Cell Sci. 130, 3374-3387
Becher A, Eiseler T, Porzner M, Walther P, Keil R, Bobrovich S, Hatzfeld M, Seufferlein T
(See online at https://doi.org/10.1242/jcs.200170) - Vaccinia virus A11 is required for membrane rupture and viral membrane assembly. Cell Microbiol. 2017 Jun 15
Suarez C, Hoppe S, Pénard E, Walther P, Krijnse-Locker J
(See online at https://doi.org/10.1111/cmi.12756) - (2018) Formation and mosaicity of coccolith segment calcite of the marine algae Emiliania huxleyi. J Phycol. 54, 85-104
Yin X, Ziegler A, Kelm K, Hoffmann R, Watermeyer P, Alexa P, Villinger C, Rupp U, Schlüter L, Reusch TBH, Griesshaber E, Walther P, Schmahl WW
(See online at https://doi.org/10.1111/jpy.12604)
