Eiskalter Blick

Wenn die Wissenschaftler:innen unter sich sind, nennen sie sie „Kara“, nach einer der Walküren der nordischen Sagen. Denn sie ist eine Kämpferin, sagen sie, eine unermüdliche Arbeiterin. 24 Stunden am Tag, sieben Tage in der Woche durchleuchtet das Kryoelektronenmikroskop auf dem Campus Berlin-Buch biologische Proben. Es sind tiefgefrorene, sehr dünne Schnitte von Zellen, die in einem ultrahohen Vakuum einem Elektronenstrahl ausgesetzt werden. Der Strahl durchdringt die Probe und Detektoren messen, was auf der anderen Seite ankommt. Ein Bildverarbeitungsprogramm setzt daraus ein hochaufgelöstes 3D-Bild zusammen – ein Modell, das kleinste biologische Strukturen und Moleküle räumlich darstellt.

Anders als bisherige Elektronenmikroskope erfasst das Kryoelektronenmikroskop Moleküle, Viren oder Zellbestandteile in der Zellumgebung. Die Zellen müssen dafür nicht chemisch fixiert, also mit Schwermetallen angefärbt oder dehydriert werden, was ihre Struktur auf molekularer Ebene verändern kann. Stattdessen gehen sie durch blitzschnelles Schockgefrieren (Kryofixierung) auf minus 196 Grad in einen glasartigen Zustand über. Ihre Struktur und jedes einzelne Molekül bleiben dabei intakt. Wenn man nun eine hauchdünne Lamelle aus der Zelle herausschneidet, kann man durch sie hindurchschauen wie durch ein Fenster und ihre Strukturen in situ erforschen – also in ihrem natürlichen Zustand innerhalb der Zelle.

Jedes Experiment erfordert eine ganze Reihe komplexer Arbeitsschritte. Die Probe muss zunächst auf einen wenige Millimeter kleinen Objektträger aufgebracht und in flüssigem Ethan bei einem Druck von mehreren Tausend Bar so schnell auf minus 196 Grad heruntergekühlt werden, dass keinerlei Eiskristalle zurückbleiben, sondern die Probe glasartig erstarrt. Dann bestimmen Diebolder und sein Team den exakten Ausschnitt für die Messung. Das Sichtfeld des Kryoelektronenmikroskops ist aufgrund der enorm hohen Auflösung sehr klein – eine Zelle ist riesig dagegen. Unter einem Konfokalen Kryolichtmikroskop kennzeichnen sie daher den zu durchleuchtenden Bereich der Zelle – zum Beispiel ein Verbund von zehn Molekülen – mit fluoreszierenden Markern. Ein Ionenstrahl schneidet anschließend unter einem Rasterelektronenmikroskop eine äußerst dünne Lamelle aus der Probe.