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Die Erforschung des menschlichen Genoms hat in letzter Zeit grosse Fortschritte gemacht. Die erste fast vollständige DNA-Sequenz des menschlichen Chromosoms 22, die aus 33,4 Millionen «Buchstaben» in Form von Basenpaaren besteht, wurde 1999 veröffentlicht. Spätestens bis zum Jahr 2002 soll die Abfolge aller Buchstaben des genetischen Alphabets bekannt sein. Vermutlich enthält die Buchstabenfolge allein aber nicht die gesamte Information, die eine Zelle zum Funktionieren braucht. Vielmehr wird erwartet, dass die komplexen räumlichen Strukturen innerhalb der Chromosomen die Abläufe in einer Zelle beeinflussen - etwa bei der Frage, welche Gene gerade aktiv sind.
Zwar ist die Gestalt vieler biologischer Makromoleküle durch Röntgenstrukturanalysen gut erforscht - für zerstörungsfreie Untersuchungen im Zellkern ist die Röntgenstrahlung aber ungeeignet und das Auflösungsvermögen von Lichtmikroskopen nicht ausreichend. Deshalb finden neue Methoden der optischen Mikroskopie besonderes Interesse, mit denen sich diese Strukturen an intakten Zellkernen bei nahezu molekularer Auflösung erstmals optisch analysieren lassen.
Die Ortsauflösung von Lichtmikroskopen ist grundsätzlich durch das sogenannte Abbe-Limit begrenzt. Sie ist proportional zur Wellenlänge des Lichts und hängt zudem vom Öffnungswinkel des Lichtbündels ab, der höchstens 70 Grad betragen kann. Bei diesem Winkel ist der Fokus des Mikroskops ungefähr 200 Nanometer breit und 600 bis 700 Nanometer lang. Mittlere Abstände zwischen funktionell bedeutsamen Genomstrukturen - etwa aktiven Genen - und den Oberflächen von Chromosomen-«Territorien» können jedoch viel kleiner sein, so dass sich mit konventioneller optischer Mikroskopie die dreidimensionale Feinstruktur nicht erforschen lässt.
Kürzlich sind nun Methoden entwickelt worden, um die Ortsauflösung von optischen Mikroskopen unter die Abbe-Grenze zu verbessern. Am Max-Planck Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen gelang es der Gruppe um Stefan Hell, zwei gegeneinanderlaufende Wellenfronten so zu überlagern, dass man fast die gleiche Auflösung erzielte wie mit einem «idealen» Mikroskop. Ideal heisst in diesem Zusammenhang, dass der Öffnungswinkel des Lichtbündels 360 Grad beträgt. Man bezeichnet die neue Anordnung auch als 4Pi-konfokales Mikroskop. Der Fokus entlang der optischen Achse konnte durch die Überlagerung der Wellenfronten drei- bis viermal schärfer gemacht werden als bei einem gewöhnlichen Mikroskop, so dass vertikale und laterale Auflösung nun vergleichbar sind. Durch Anwendung mathematischer Methoden der Bildrestaurierung lässt sich das Gerät zum derzeit besten fokussierenden Lichtmikroskop weiterentwickeln.
Noch genauere räumliche Informationen lassen sich gewinnen, wenn ein Objektpunkt aus sich selbst heraus leuchtet. Das kann man zum Beispiel erreichen, indem man Gene im Zellkern mit fluoreszierenden Markern versieht. Verwendet man zum Markieren fluoreszierende Mikropartikel und zum Abbilden ein Laserscanningmikroskop, so lässt sich die dreidimensionale Position des Gens mit Verfahren der digitalen Bildverarbeitung auf 10 Nanometer genau bestimmen - das ist etwa ein Fünfzigstel der zum Anregen benutzten Wellenlänge. Mit einem 4Pi-Mikroskop anstelle des Laserscanningmikroskops wäre dieser Wert sogar noch besser.
Befinden sich nun zwei kleine selbstleuchtende Objekte unterschiedlicher spektraler Signatur in einem geringen Abstand voneinander - beispielsweise zwei unterschiedlich markierte Gene -, so kann man ihre Positionen im dreidimensionalen Raum unabhängig voneinander registrieren. Auf diese Weise lassen sich dann auch Distanzen zwischen zwei Objekten mit hoher Präzision bestimmen. Mit diesem von einer Gruppe um Christoph Cremer am Kirchhoff-Institut der Universität Heidelberg entwickelten Verfahren der spektralen Präzisionsdistanz-Mikroskopie (SPDM) lassen sich zwei Objekte unterschiedlicher spektraler Signatur noch im Abstand von 30 Nanometern in beliebiger räumlicher Lage auflösen. Komplexe dreidimensionale Chromosomen-Strukturen können auf diese Weise weit jenseits der Abbe-Auflösungsgrenze untersucht werden.
Erste Messungen wurden am Beispiel des ANT-Gens durchgeführt, das auf dem X-Chromosom lokalisiert ist. Die Forscher fanden die Hypothese bestätigt, dass Gene durch eine Änderung der dreidimensionalen Struktur des betreffenden Chromosomenabschnitts inaktiviert werden können: Das inaktive Gen ist im Vergleich zum aktiven um etwa 260 Nanometer ins Innere des Chromosomen-Territoriums gewandert und wird dadurch für die Bindung von bestimmten Proteinen unzugänglich.
Angesichts solcher Erfolge wird daran gearbeitet, den kleinsten mit SPDM noch unterscheidbaren Abstand weiter zu verbessern. Dabei ist es wichtig, auch die (normale) Ortsauflösung zu steigern, so dass sich beide Forschungsrichtungen in idealer Weise ergänzen. Langfristiges Ziel ist es, in konservierten Zellkernen die räumliche Genomstruktur auf dem Niveau einzelner Nukleosomen zu untersuchen - die Kombination von 4Pi-Mikroskopie und SPDM sollte dafür eine ideale Voraussetzung sein.
Georg Wolschin
Der Autor ist Physiker und arbeitet als Privatdozent an der Universität Heidelberg. Er ist ausserdem journalistisch tätig.
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