Wie Unsichtbares sichtbar wird: Faszinosum Elektronenmikroskopie

a) Stäbchenförmige Tabakmosaikviren, mit Schwermetallsatz kontrastiert b) Ultradünnschnitt von in Epoxyharz eingebetteten E. coli-Zellen c) Gereinigten Proteinkomplex, eingefroren in flüssigem Stickstoff, mikroskopiert unter flüssigem Stickstoff
Platzieren der Probe im Elektronenmikroskop
Platzieren der Probe im Elektronenmikroskop

„Welche Details man durch die Elektronenmikroskopie sehen kann, die man in der für das menschliche Auge furchtbar kleinen Probe sonst nie sehen würde, finde ich unglaublich faszinierend“, schwärmt Katharina Hipp und schaut auf ein kupferfarbenes drei Millimeter kleines Netzchen, das vor ihr auf dem Tisch liegt. Selbst bei genauem Hinsehen ist darauf mit dem bloßen Auge nichts zu erkennen. Doch genau auf diesem Netzchen hat sie gerade eine Proteinprobe eingefroren, die sie nun unter ständiger Kühlung mit flüssigem Stickstoff im Elektronenmikroskop genauer anschauen möchte.

Dr. habil. Katharina Hipp ist seit 2016 Leiterin der Elektronenmikroskopie (EM) Facility am Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen. Ein Vortrag über Elektronenmikroskopie während ihres Studiums für technische Biologie an der Universität Stuttgart entfachte in ihr erstmals eine Begeisterung dafür, die bis heute geblieben ist. Vor wenigen Monaten hat sie sich im Fach Molekularbiologie an der Universität Stuttgart habilitieren können.

In Katharinas Arbeitsalltag unterstützt sie die Forschenden des Instituts, welche in ihren biologischen Proben mehr erkennen möchten als dies mit einem Lichtmikroskop technisch möglich ist. In gemeinsamen Besprechungen klärt Katharina mit den Wissenschaftler:innen die Forschungs-Fragestellung, und was mithilfe der Elektronenmikroskopie sichtbar gemacht werden soll.

Zugleich arbeitet sich Katharina stets in den wissenschaftlichen Hintergrund der einzelnen Projekte ein. So kann sie besser abwägen und verstehen, wie die Probe für das Elektronenmikroskop präpariert werden muss, um gewünschte Zell- oder Proteinstrukturen sichtbar machen zu können. Die Methoden der Probenvorbereitung sind sehr komplex, weshalb nur dafür geschultes Personal diese Schritte vornehmen kann. Neben Katharina Hipp sind das am Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen Brigitte Sailer und Iris Koch.

Die Abbildungen, die Objekte bis in den Nanometerbereich sichtbar machen, werden mit den Forschungshypothesen der Wissenschaftler:innen abgeglichen. „Wenn man etwas sehen kann, fällt es einem deutlich leichter, es zu begreifen. Mit einer passenden Darstellung durch eine Analyse aus der Elektronenmikroskopie kann eine wissenschaftliche Aussage deutlich untermauert werden“, erklärt Katharina die Bedeutung für die Wissenschaft. Außerdem ist es inzwischen mit Hilfe der Elektronen-Kryomikroskopie möglich, Proteinstrukturen mit bis zu atomarer Auflösung zu bestimmen.

Wissensdurstig auf weitere spannende Projekte blickt Katharina auch als stellvertretende Vorsitzende der Deutschen Gesellschaft für Elektronenmikroskopie in die Zukunft: „Man kann da nicht auf einem Status-Quo bleiben, es geht immer weiter und das macht mir auch enorm viel Spaß. Die Frage ist, wie wir Methoden weiter verbessern und neue Techniken entwickeln können, um bisher verborgene Fragestellungen aufzudecken.“

Seit diesem Jahr hält Katharina neben der Leitung der EM-Facility am Max-Planck-Institut und einer Familie mit zwei Kindern auch regelmäßig Vorlesungen an der Universität Stuttgart. Und, wenn sie dort mit derselben Begeisterung über die Elektronenmikroskopie spricht, dann wird sie damit ebenso Studierende faszinieren, wie einst in ihr das Feuer für diese Disziplin entfacht wurde.

Wissenskasten

Das Bild eines Elektronenmikroskops ist eine zweidimensionale Aufnahme und funktioniert nur im Vakuum. Die Proben von beispielsweise Zellen, Bakterien oder gereinigten Proteinen werden auf ein kleines ca. drei Millimeter großes Netzchen fixiert, ein sogenanntes „Grid“.  Anhand von 50-100 Nanometer (1 Nanometer = 0,000001 Millimeter) dünnen Probenschnitten können kleinste Objekte im Elektronenmikroskop sichtbar gemacht werden. Die Schwierigkeit liegt darin, die Probe an der richtigen Stelle zu schneiden und diese Schnitte sehr dünn zu machen, was viel Routine und Erfahrung erfordert. Wird beispielsweise ein Bakterium mit einer Größe von 1 µm (=0,001 Millimeter) präpariert, können 10-20 verschiedene Schnitte, und damit ebenso viel verschiedene Bilder, eines einzelnen Bakteriums erstellt werden. Bei der Elektronen-Kryomikroskopie werden die eingefrorenen Proben unter ständiger Kühlung mittels flüssigen Stickstoffs abgebildet und mit Hilfe von Bildverarbeitung die 3D-Struktur der Proteine ermittelt.

 

Fun Fact

Die wohl derzeit bekannteste Aufnahme aus einem Elektronenmikroskop ist das in den Nachrichten publizierte Bild des Coronavirus. Viren sind mit 20-400 Nanometer sehr klein und konnten erstmals mit der Erfindung des Elektronenmikroskops 1931 sichtbar gemacht werden.

Proben fixiert auf  drei "Grid" bereit für das Elektronenmikroskop
Proben fixiert auf drei "Grid" bereit für das Elektronenmikroskop
Katharina analysiert die Resultate des Elektronenmikroskops
Katharina analysiert die Resultate des Elektronenmikroskops
Gridsammlung mit bereits mikroskopierten Proben
Gridsammlung mit bereits mikroskopierten Proben