Wissenschaftler haben das weltweit erste CryoNanoSIMS-Gerät entwickelt, das die Analyse der Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS) im Nanobereich für die Beobachtung von biologischen Gewebeproben mit subzellulärer räumlicher Auflösung verbessert, schreibt die EPFL in einer Pressemitteilung. Das Instrument nutzt ein Probenvorbereitungsverfahren, das vom Nobelpreisträger 2017 Jacques Dubochet entwickelt wurde, und bietet neue Forschungsmöglichkeiten.
Überwindung der Beschränkungen der traditionellen NanoSIMS-Technologie
Die NanoSIMS-Technologie, die vor zwanzig Jahren eingeführt wurde, hat den Bereich der Bildgebung revolutioniert, indem sie hochauflösende Bilder mit einer Auflösung von 100 nm erzeugt. Die herkömmlichen Probenvorbereitungsmethoden hatten jedoch ihre Grenzen – sie führten zu einer Verzerrung der Gewebemorphologie und zum Verlust von löslichen Verbindungen. Das EPFL-Team unter der Leitung von Prof. Anders Meibom überwand diese Hindernisse, indem es ein kryogenes Verfahren für die Probenvorbereitung entwickelte und die NanoSIMS-Maschine so modifizierte, dass sie kryogene Proben aufnehmen kann.
Meibom erläuterte die Herausforderungen bei der Anpassung des Geräts: “Es war extrem schwierig, ein Gerät, das bei Raumtemperatur arbeitet, in ein Gerät zu verwandeln, das gefrorene Gewebeproben analysieren kann, während es die Probe stundenlang kalt und stabil hält. Aber es ist uns gelungen, und wir können nun völlig neue Informationen gewinnen.” Um dies zu erreichen, arbeitete das Team mit den Werkstätten der EPFL und mit Schweizer Firmen zusammen, um deren maschinenbauliche Kompetenzen zu nutzen und die erforderlichen Präzisionsteile herzustellen.
Erweiterung des Bereichs der biologischen Chemie
Das CryoNanoSIMS-Gerät stellt einen bedeutenden Durchbruch in der biologischen Chemie dar. Es analysiert die chemische und isotopische Zusammensetzung von vitrifizierten Gewebeproben mit dem von Jacques Dubochet entwickelten Probenvorbereitungsverfahren. Dubochet, Nobelpreisträger für Chemie 2017 und emeritierter Professor an der Universität Lausanne, bezeichnet das CryoNanoSIMS-Gerät als “eine wichtige Erweiterung des Bereichs der biologischen Chemie.”
Durch die Visualisierung der exakten subzellulären Verteilung von Verbindungen hat CryoNanoSIMS das Potenzial, wesentliche Prozesse zu beleuchten, die bakteriellen Infektionen und der Krebsbehandlung zugrunde liegen, Spurenelemente in Pflanzengewebe für das Pflanzenwachstum und die Pflanzenproduktion sowie Umweltkontaminanten in Böden und Biofilmen, und das alles mit subzellulärer räumlicher Auflösung.
Praktische Anwendungen und zukünftige Forschung
Die Autoren der Studie testeten die CryoNanoSIMS-Methode an Proben von Green Hydra und beobachteten direkt die Ammoniumaufnahme und -assimilation. Dies verdeutlicht die Fähigkeit des Instruments, beispiellose Einblicke in biologische Prozesse zu geben. Der nächste Schritt für die Forscher ist die Anwendung der CryoNanoSIMS-Methode auf Korallen, um die Mechanismen der Symbiose und die Faktoren zu untersuchen, die zu Korallenbleiche und -sterben beitragen.