Fluoreszenzmikroskopie mit höchster Auflösung

Forscher vereinfachen das sogenannte MINFLUX-Mikroskop und können so extrem nah beieinanderliegende Moleküle unterscheiden und ihre Dynamik beobachten

21.01.2021 - Deutschland

Erst vor wenigen Jahren wurde eine fundamental erscheinende Auflösungsgrenze der optischen Mikroskopie gesprengt, was 2014 zur Verleihung des Nobelpreises für Chemie führte. Seither hat es auf dem Gebiet der superauflösenden Mikroskopie einen weiteren Quantensprung gegeben, der die Auflösungsgrenze bis zur molekularen Dimension (1 nm) getrieben hat.

Wissenschaftlern um Professor Philip Tinnefeld (LMU) und Professor Fernando Stefani (Buenos Aires) ist es nun gelungen, das für die 1-nm-Auflösung notwendige sogenannte MINFLUX-Mikroskop zu vereinfachen. So konnten die Wissenschaftler extrem nah beieinanderliegende Moleküle unterscheiden und sogar die Dynamik ihrer Bewegungen unabhängig voneinander verfolgen. Zusätzliche Funktionen ermöglichen es ihnen zudem, die Art der beobachteten Moleküle zu unterscheiden. Die MINFLUX-Methode fragt den Ort jedes Moleküls ab, indem ein Laserfokus in der Nähe des Moleküls platziert wird. Die gemessene Fluoreszenzintensität dient dabei als Maß für den Abstand des Moleküls zum Mittelpunkt des Laserfokus. Die genaue Molekülposition lässt sich durch Triangulation erhalten, indem das Zentrum des Laserfokus nacheinander an verschiedenen Seiten relativ zum Molekül platziert wird.

Die Wissenschaftler ordneten die Laserpulse so geschickt in Ort und Zeit an, dass sie mit maximal möglicher Geschwindigkeit zwischen den Laserpositionen hin- und herschalten konnten. Zusätzlich erreichten sie mithilfe einer schnellen Elektronik eine zeitliche Auflösung, die im Bereich von Pikosekunden liegt und den elektronischen Übergängen in den Molekülen entspricht. Damit werden die Grenzen des Mikroskops ausschließlich von den Fluoreszenzeigenschaften der Farbstoffe bestimmt.

Mithilfe dieser neuen sogenannten p-MINFLUX (engl. pulsed)-Methode gelang es den Wissenschaftlern, die örtliche Verteilung der Fluoreszenzlebensdauer – die wichtigste Messgröße, um die Umgebung von Farbstoffen zu charakterisieren – mit einer Auflösung von 1 nm zu messen. Philip Tinnefeld erklärt: „Mit p-MINFLUX wird es möglich sein, Strukturen und Dynamik auf molekularer Ebene aufzudecken, die fundamental sind für unser Verständnis von Energietransferprozessen bis hin zu biomolekularen Reaktionen.“