19.12.17 17:24

Center for Advanced Imaging

Scharfes Mikroskop für Stammzellforschung in Pflanzen

Von: Arne Claussen

Im Gegensatz zu Tieren besitzen Pflanzen aktive Stammzellen, aus denen sie ihr ganzes Leben lang neue Organe wie Äste, Blüten oder Wurzeln bilden. Die Arbeitsgruppe um Dr. Grégoire Denay vom Institut für Entwicklungsgenetik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) erforscht insbesondere die Vorgänge bei der Wurzelbildung. Er kann dazu nun auf ein neues, sehr leistungsfähiges Mikroskop am Center for Advanced Imaging (CAi) der HHU zurückgreifen.

Oberfläche einer Tabakpflanze mit zwei unterschiedlichen Rezeptoren in grün und rot. (Aufnahme: Patrick Schultz)

Tabakzelle, die einen Rezeptor im endoplasmatischen Reticulum ausbildet. (Aufnahme: Patrick Schultz)

Aufsicht auf eine Tabakpflanze mit Membranrezeptoren. Die Rezeptoren sind in kleinen Gruppen als Punkte auf der Membran sichtbar (Maßstab: 5 µm). (Aufnahme: Grégoire Denay)

Das neue konfokale Mikroskop Zeiss LSM 880 am Center for Advanced Imaging der HHU. (Foto: Steffen Köhler)

Stammzellen sind noch undifferenzierte Zellen, aus denen sich alle Arten von Zellen des Organismus bilden können. Die Stammzellen der Pflanzen sind in besonderen Strukturen, den sogenannten Meristemen, angesiedelt. In welche Zelle sich eine Stammzelle differenzieren soll, wird ihr von Wachstumsfaktoren signalisiert. Hierbei spielen sich komplexe Kommunikationsprozesse innerhalb des Meristems ab.

Im Fokus der Arbeit von Dr. Denay am Institut für Entwicklungsgenetik (Leitung: Prof. Dr. Rüdiger Simon) steht diese interzelluläre Kommunikation. Sie spielt eine Schlüsselrolle beim Verständnis des Pflanzenwachstums und der Anpassungsprozesse der Pflanzen auf sich wandelnde Umwelteinflüsse. Sie untersuchen dabei unterschiedliche Signalmoleküle, die aus kurzen Proteinketten (sogenannten Peptiden) bestehen.

Diese Peptide werden aus der Zelle in die Umgebung abgegeben und koppeln wieder an Rezeptormoleküle an den Oberflächen anderer Pflanzenzellen. Dadurch lösen sie Reaktionen aus, die etwa die Zellentwicklung und -differenzierung steuern. Die Rezeptoren auf der Zelloberfläche bestehen ihrerseits aus komplexen Proteinstrukturen, die mit den Signal-Peptiden charakteristische Bindungen eingehen und so erst eine Signalkette in der Zelle auslösen.

Was geschieht nun genau, wenn ein Peptid an einen Rezeptor ankoppelt, und wie werden im Anschluss dadurch die Vorgänge in der Zelle ausgelöst? Diese Fragen können an der HHU erstmals mit einem neuen Mikroskopsystem beantwortet werden, welches seit September 2017 am CAi betrieben wird. Mit diesem Gerät können erstmals optische Auflösungen deutlich unterhalb von 300 nm (Nanometer = 1 Milliardstel Meter) erreicht werden. Genau diese Dimension haben die Rezeptoren, die mit speziellen Farbstoffen gefärbt sind und so auf der Oberfläche identifiziert werden können. Dr. Denay kann zeitaufgelöst beobachten, was bei der Kopplung eines Peptids an einen Rezeptor passiert. Neben der Aufklärung der Struktur dieser aktiven Bereiche kann so in Düsseldorf erstmals auch die Dynamik bei der Signalverarbeitung in Pflanzenzellen im Detail untersucht werden.

Center for Advanced Imaging

Das CAi ist eine zentrale Einrichtung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät, an der Geräte und Kompetenzen im Bereich der Bildgebung zusammengeführt worden sind und Forschende an der HHU, aber auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das CAi hat im Sommer 2017 ein neues Gerät bekommen, ein sogenanntes inverses Konfokalmikroskop-System des Typs „Zeiss LSM 880 Airyscan“. Mit diesem Gerät sind sehr hohe Aufnahmegeschwindigkeiten bei hoher Sensitivität und räumlicher Auflösung möglich.

Normalerweise ist die Auflösung von optischen Mikroskopen durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts beschränkt, die minimale Auflösung liegt im Rahmen von 300 nm. Das neue Gerät besitzt eine aus 32 Lichtdetektoren bestehende Aufnahmeeinheit, in der jeder Detektor unter einem etwas anderen Blickwinkel auf das Objekt zeigt. Durch Kombination der unterschiedlichen Bildsignale wird es möglich, die Grenzen der Optik zu umgehen. Im sogenannten „Superresolutionsmodus“ bildet man Strukturen bis hinab zu 140 nm ab. Darüber hinaus können dynamische Vorgänge live verfolgen werden, mit einer Bildrate von 27 Bildern pro Sekunde. Damit können beispielsweise Veränderungsprozesse in Zellen untersucht werden.

Weitere Informationen: undefinedWebseiten des CAi

 

 

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