Nukleinsäurebasierte Super-Auflösungs-Mikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Jungmann
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251122678

Richard Feynman hat in seinem Vortrag There is plenty of room at the bottom aus dem Jahre 1959 eindrucksvoll die Rolle der Mikroskopie in der biomedizinischen Forschung verdeutlicht: Mit einem leistungsfähigen Mikroskop ...ist es sehr einfach viele fundamentale biologische Fragestellungen zu beantworten; Man schaut es sich einfach an!In der Tat haben Mikroskope maßgeblich zu unserem Verständnis biologischer Systeme beigetragen. Viele biologische Prozesse finden auf der Ebene einzelner Moleküle statt und so ist das bedeutsamste Ziel von Mikroskopie, diese mit hoher Auflösung zu untersuchen. Obwohl es möglich, ist einzelne Biomoleküle mittels Fluoreszenzmarkierung zu detektieren, können diese auf Grund der Beugungsbegrenzung des optischen Lichtes nur getrennt sichtbar gemacht werden, falls ihr Abstand mehr als 200 nm beträgt. In den letzten Jahren erlebte die Fluoreszenzmikroskopie jedoch eine wahre Renaissance durch die Entwicklung sogenannter Super-Auflösungs-Verfahren, die das klassische Beugungslimit umgehen. Obwohl Super-Auflösungs-Mikroskopie bereits unser Verständnis von Biologie verbessert hat, sind aktuelle Methoden in einigen Bereichen sehr begrenzt.Wirkliche molekulare Auflösung (<5 nm) ist nach wie vor unmöglich, was z.B. die Untersuchung einzelner Rezeptoren in dicht gepackten Clustern auf einer Zelloberfläche nicht erlaubt. Des Weiteren bieten gegenwärtige Abbildungsverfahren nur begrenzte Möglichkeiten zum gleichzeitigen Beobachten vieler unterschiedlicher Moleküle in einer Probe. Diese sogenannte Multiplexing-Fähigkeit ist allerdings unerlässlich, um komplexe biologische Systeme zu entschlüsseln. Darüber hinaus ist ein entscheidender Vorteil von Fluoreszenzverfahren das Abbilden in lebenden Proben. In diesem Bereich sind gegenwärtige Super-Auflösung-Verfahren sehr limitiert, hauptsächlich bedingt durch Schwierigkeiten, Moleküle spezifisch mit synthetischen Farbstoffen in lebenden Systemen zu markieren. Mein Forschungsvorhaben ist auf die Überwindung dieser Nachteile in aktuellen Super-Auflösungs-Verfahren durch die Entwicklung neuartiger DNA-basierter Fluoreszenzsonden ausgerichtet. Durch die Anwendung dieser Sonden soll ein Abbilden mit molekularer Auflösung (<5 nm) erreicht werden, um so z.B. die Komposition von ErbB-Oberflächen-Rezeptoren zu entschlüsseln, die im Fokus aktueller Krebsforschung stehen. Des Weiteren werden DNA-basierte autonom blinkende Sonden entworfen, deren spezifische Blink-Frequenz benutzt werden kann, um hunderte verschiedene Moleküle im Inneren einer Zelle gleichzeitig mit Super-Auflösung zu untersuchen. Ferner wird eine neuartige Super-Auflösungs-Methode für lebende Zellen auf Basis von genetisch enkodierten RNA-Molekülen entwickelt, die spezifisch einen schaltbaren Farbstoff binden, der nicht-toxisch für die Zellen ist.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: automated fluorescence microscope ; module for single-molecule super-resolution
• Gerätegruppe: 5040 Spezielle Mikroskope (außer 500-503) ; 5080 Optisches Mikroskopzubehör