Neuland

Leben unter der Lupe

Wie Gerd Ulrich Nienhaus mit seinem Team biologische Prozesse auf molekularer Ebene sichtbar macht.

Die Erforschung molekularer Wechselwirkungen innerhalb von lebenden Zellen, Geweben und Organismen bildet die Grundlage unzähliger Entwicklungen in der modernen Biomedizin. Um neue Medikamente, verbesserte Diagnosemethoden und effizientere Therapieansätze zu entwickeln, benötigen die Pharmaindustrie und die medizinische Forschung Einblicke in zelluläre Prozesse auf kleinster Ebene. „Moderne lichtmikroskopische Verfahren spielen dabei eine Schlüsselrolle“, sagt Professor Gerd Ulrich Nienhaus, der seit 2009 am Institut für angewandte Physik am KIT den Biomolekülen auf der Spur ist.

Am Anfang ist nur eine Zelle – sie enthält all die Erbinformationen, die zur Entwicklung eines ausgewachsenen Lebewesens nötig sind. Dazwischen teilt sich die Zelle viele Male. Unzählige Prozesse müssen präzise koordiniert ablaufen, um die Entwicklung eines Organismus und die Funktion aller seiner Zellen zu gewährleisten. „Wir entwickeln neue Verfahren der Lichtmikroskopie und Methoden der spezifischen Fluoreszenzmarkierung, mit denen wir diese faszinierenden molekularen Prozesse beobachten können – und das mit einer räumlichen Auflösung, die man lange Zeit für prinzipiell nicht machbar hielt“, erklärt Nienhaus.

„Ich sehe meine Aufgabe darin, Anstöße für biomedizinische Innovationen zu geben. Forschung, die heute eher abstrakt wirkt, kann in einigen Jahren vielleicht unzählige Leben retten.“

Professor Gerd Ulrich Nienhaus

Essenziell für diese Untersuchungen ist die Fähigkeit, Biomoleküle und zelluläre Strukturen mit Fluoreszenzmarkern zu versehen, die durch Lichteinstrahlung gezielt zum Leuchten angeregt werden. „Die Entwicklung neuer Markertechnologien ist ein extrem ak - tives Forschungsgebiet“, sagt Nienhaus. „Fluoreszente Proteine sind dabei von besonderer Bedeutung, da sie exzellent zur Markierung lebender Zellen und Organismen eingesetzt werden können“.

Dafür „fischen“ er und sein Team Gene fluoreszenter Proteine aus marinen Organismen, optimieren sie weiter und schleusen sie in andere Zellen und Organismen ein. Diese produzieren dann die leuchtenden Proteine – oft als Anhängsel anderer Proteine, die man aufgrund der Lichtaussendung gezielt beobachten kann. Einige dieser Proteine können über Lichteinstrahlung bei bestimmten Wellenlängen präzise aktiviert werden. Dieses „An- und Ausschalten“ ist ein wichtiger Schritt für die höchstauflösende Bildgebung. „Man kann so aber auch selektiv subzelluläre Strukturen oder einzelne Organe in bestimmten Farben zum Leuchten bringen“, sagt Nienhaus.

Biophysiker Nienhaus und sein Team setzen ihre mikroskopischen Techniken ein, um Filme aufzunehmen, die die Entwicklung von Zebrafischembryos in 3D über viele Stunden hinweg zeigen. Damit lassen sich die Wanderung jeder einzelnen Zelle während der Entwicklung verfolgen und beispielsweise krankheitsbe - dingte Fehlentwicklungen analysieren. „Durch unsere selbstentwickelten, höchstauflösenden Fluoreszenzmikroskope und neue Markertechnologien können wir Bilder und Filme aufnehmen, die biomolekulare Prozesse sehr viel präziser zeigen als konventionelle Technologien, wie sie in der biologischen und biomedizinischen Forschung derzeit eingesetzt werden“, sagt Professor Nienhaus: „Damit öffnen wir Türen zu völlig neuen Erkenntnissen und Anwendungen in den Lebenswissenschaften, der Medizin und der Pharmakologie.“