Die kleinsten Spieler in Ihrem Körper haben sich im Dunkeln versteckt. Bisher.
Ein neuer Trick mit Lasern könnte sie endlich ans Licht bringen. Jahrelang konnten selbst unsere leistungsstärksten Mikroskope die meisten menschlichen Proteine nicht klar auflösen. Sie sind einfach zu klein. Zu leise.
Die Physiker der UC Berkeley haben gerade das Spiel verändert. Sie adaptierten einen fast 100 Jahre alten Bildgebungstrick – den Phasenkontrast – für ein modernes Biest namens Kryoelektronenmikroskopie oder Kryo-EM. Mithilfe einer Laserphasenplatte verschieben sie die Phase eines Elektronenstrahls. Sie schwächen es nicht. Sie schärfen es.
Warum es wichtig ist
„Kryo-ET soll zeigen, wie Moleküle in ihrem natürlichen zellulären Kontext zusammenarbeiten … Die Steigerung des Signal-Rausch-Verhältnisses … soll diese wichtigen Einschränkungen überwinden“, sagt Holger Müller.
Holger Müller vermutet nicht nur. Er leitete den Bau. Das Team verbesserte den Kontrast, ohne die Intensität des Strahls zu beeinträchtigen. Das bedeutet, dass kleine Moleküle wie Hämoglobin jetzt tatsächlich hervorstechen. Im überfüllten Chaos einer lebenden Zelle? Das war früher unmöglich.
Bridget Carragher bringt es auf den Punkt. Der Blick in eine Zelle ist wie die Suche nach einem bestimmten Blatt in einem dichten Wald. Cryo-ET brauchte einen großen Klarheitssprung. Diese Laserplatte bietet genau das.
„Es ist wie ein Wald … der versucht, ein Blatt zu finden … Theia verspricht, uns das zu geben“, sagt Carragher.
Gebäude „Theia“
Sie haben nicht nur eine Maschine optimiert. Sie haben eins gebaut. Benannt nach der Titanin des Lichts, Theia.
Theia wird von Biohub finanziert und ist ein maßgeschneidertes Thermo-Fisher-Mikroskop. Es ist im Wesentlichen ein Formel-1-Auto für die Wissenschaft. Müller scherzt, dass es bereits das beste Standard-Kryo-EM-Gerät der Welt sei, auch ohne die Lasermagie. Damit? Noch besser.
Sie arbeiten bereits an Version 2. Zwei senkrechte Laser. Geringere Leistung. Weniger Verzerrungen. Weniger Hitzeschäden. Das Ziel ist stabil. Zuverlässig. Hell.
Alte Technik, neue Wendung
Hier ist die Ironie. Die Kernidee ist überhaupt nicht neu.
Es beginnt im Jahr 1930 mit Frits Zernike, einem niederländischen Physiker. Er erkannte, dass Licht seine Phase ändert, wenn es durch Dinge hindurchdringt, nicht nur die Helligkeit. Er veränderte das ungestreute Licht. Plötzliche Klarheit. Kein Färben erforderlich. Dafür erhielt er einen Nobelpreis.
Wissenschaftler haben vor Jahrzehnten versucht, dies für Elektronen zu kopieren. Fehlgeschlagen. Frühe Versuche führten zu schwächeren Strahlen, verschwommener Auflösung oder gingen einfach kaputt.
Im Jahr 2010 schlugen Müller und Robert Glaeser die Laserlösung vor. Sie waren der Zeit voraus. Weit voraus.
Ein Vierteljahrhundert warten
Es dauerte fünfzehn Jahre. Fünfzehn Jahre des Schleifens, Einfangens und Fokussierens.
Das Team schloss einen Laser in einen kugelförmigen Hohlraum ein. Überall Spiegel. Das Licht wird zehntausendfach reflektiert. Es komprimiert.
Fünfundsiebzig Kilowatt. Fokussiert auf einen Punkt mit einer Breite von einigen Mikrometern.
Das ist mehr Leistung als ein Schweißbrenner. Mehr als Militärlaser. Es erzeugt den hellsten kontinuierlichen Laserfokus, den jemals gebaut wurde.
Die Tests waren vielversprechend. Sie verwendeten Aldolase, was für alte Technologien einfach genug ist, und Hämoglobin und gingen damit an die Grenzen. Das Hämoglobinbild verbesserte sich dramatisch.
Kleine Partikel? Schlechte Exemplare? Der Laser bietet hier einen erheblichen Vorteil.
Das Limit überschreiten
Im Moment hat Kryo-EM Probleme unter 70 Kilodalton. Dennoch fallen fast 90 Prozent der menschlichen Proteine in diese winzige Kategorie. Für die Wissenschaft unsichtbar.
Mit Theias Laserphasenplatte? Wir können jetzt 50 Kilodalton erreichen. Es ist harte Arbeit. Aber sichtbar.
Müller will tiefer gehen. Sein Ziel sind 17 Kilodalton – die Größe von Myoglobin. Weitere Optimierungen am Elektronenfokus könnten den Kontrastgewinn noch einmal verdoppeln.
„Was einst unsichtbar war, wird sichtbar“, stellt Stephani Otte fest.
Denken Sie darüber nach.
Zum ersten Mal können wir molekulare Maschinen tatsächlich in Betrieb sehen. Im Kontext. Im wirklichen Leben. Krankheitsmechanismen, die früher Geister waren, haben jetzt Gesichter.
Wird dies die Biologie neu schreiben? Wahrscheinlich. Wir sind einfach noch nicht fertig mit der Suche.
