Korrelative Kryo-Röntgentomographie und höchstauflösende Kryo-Fluoreszenzmikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Walter
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung in 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290635939

Während des Stipendiums werde ich an korrelativer höchstauflösender Kryo-Mikroskopie in einer Forschungsgruppe arbeiten, die als Vorreiter in der Entwicklung von korrelativer Kryo-Röntgentomographie ('Soft X-ray Tomography' (SXT)) und kryogener Fluoreszenzmikroskopie gilt. Während der letzten Jahre hat die Gruppe von Carolyn Larabell das weltweit erste Kryo-Röntgenmikroskop für Zellbiologie zusammen mit dem ersten Kryo-Fluoreszenzmikroskop (Kryo-FM) für korrelative Forschung entwickelt. Die Korrelation von Daten dieser beiden Abbildungstechniken erzeugt ein optimales und vollständiges Bild der Zelle, da molekulare und zelluläre Prozesse direkt innerhalb ihres nativen, kryo-konservierten ultrastrukturellen Kontexts abgebildet werden können. Für SXT wird die Probe mit weichen Röntgenstrahlen im sogenannten 'Wasserfenster' zwischen 2.3 und 4.4 nm Wellenlänge bestrahlt. Dieser Wellenlängenbereich wird von den kohlenstoffhaltigen Biomolekülen zehnfach stärker absorbiert als Wasser. Dies führt zu quantitativen Bildern mit hohem Kontrast der Ultrastruktur ohne kontrastverstärkende Färbungsmittel. Das existierende Kryo-FM ist beugungsbegrenzt und kann deshalb Prozesse nur mit einer Auflösung abbilden, die wesentlich geringer ist als die, die mit SXT erreichbar ist. Um die Abbildungsgenauigkeit zu erhöhen, ist es notwendig, eine höchstauflösende Variante des Kryo-FM zu entwickeln. Da es für Mikroskopie mit strukturierter Beleuchtung ('Structured Illumination Microscopy' (SIM)) im Gegensatz zu anderen höchstauflösenden Mikroskopietechniken nicht erforderlich ist, Fluorophore mit spezifischen photoschaltbaren Eigenschaften zu verwenden, stellt SIM eine attraktive Strategie zur Erreichung von Höchstauflösung unter Kryo-Bedingungen dar. Mit linearer SIM kann eine zweifach höhere laterale Auflösung im Vergleich zu konventioneller Mikroskopie erreicht werden. Meine Aufgabe in der Arbeitsgruppe wird es sein, an der Implementierung von Kryo-SIM zu arbeiten und die damit erzielten höchstaufgelösten Daten mit SXT mithilfe von selbst geschriebenen Bildprozessierungsalgorithmen und gängiger Software zur Rekonstruktion von Tomogrammen zu korrelieren. Nach ersten 'proof-of-principle' Experimenten soll schließlich damit begonnen werden, die neuartige korrelative Abbildungstechnik in einer Kollaboration dazu zu nutzen, um zu erforschen, welche Rolle die Organisation und die Kompartmentalisierung von Chromatin bei der Genregulierung in Geruchsrezeptoren von Mäusen spielt. Die Kombination von SXT und Kryo-SIM wird einen bahnbrechenden Fortschritt in der Visualisierung von Zellen darstellen und einzigartige Analysen von molekularer Organisation und nativer ultrastruktureller Architektur in intakten Zellen mit Höchstauflösung ermöglichen. Zusammenfassend wird mir mein Stipendium technische Fähigkeiten und wissenschaftliche Einblicke auf höchstem Niveau und von großem potentiellem Nutzen für die Zellbiologie und die Weiterentwicklung von Mikroskopietechniken vermitteln.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeberin: Professorin Carolyn Larabell, Ph.D.