Physik an der Goethe-Uni: Pionierarbeit in 3D

Was man beobachtet, das verändert man auch, besagt Werner Heisenbergs Unschärferelation. Die Erkenntnis für die Quantenmechanik gilt übertragen für alle Wissenschaften, also auch für die Biologie.

Der Physiker Ernst Stelzer versucht, mit einer besonderen Form der Lichtmikroskopie den Einfluss der Beobachtung auf eine Zelle auf ein Minimum zu reduzieren. Die Goethe-Uni hat den Professor nun an das Exzellenzcluster "Makromolekulare Komplexe", berufen. Hier setzt er seine Forschung von 2010 an bis Oktober 2011 interdisziplinär fort.

Biologie oft zu künstlich

"Viele Forscher lassen die Zellen meistens auf Deckgläsern, also auf harten und flachen Oberflächen wachsen", sagt Stelzer. "Das entspricht nicht ihrem natürlichen Wachstum." Biologie würde oft unter künstlichen Bedingungen betrieben. "Viele der Experimente bergen daher das Risiko, dass ihre Resultate nicht zu einem Verständnis unserer Physiologie beitragen." Daher habe die Zellbiologie auch nicht den erhofften Erfolg bei der Entwicklung von Medikamenten. Das soll sich ändern. "Die 3D-Mikroskopie wird einen Einfluss darauf haben, wie man Biologie betreibt."

Ernst Stelzer, Jahrgang 1959, machte sein Diplom am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt. 1987 promovierte er an der Universität in Heidelberg, wo er seitdem am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) arbeitet. Bereits bei seiner Promotion ging es um Konfokale Fluoreszenzmikroskopie, einer speziellen Art der Mikroskopie, mit der man Objekte in 3D betrachten kann. Stelzer hat bei der Entwicklung der ersten Geräte mitgewirkt und entwickelt das Verfahren nun weiter.

"Wann immer man mit Licht eine lebende Probe beobachtet, findet eine Belastung statt", erklärt Stelzer. "Irgendetwas wird immer verbraucht. Der Körper reagiert auf Licht. Also muss man die Energie, die man in die Probe einführt, reduzieren." Beim neuen Verfahren bringen fluoreszierende Substanzen die Zelle zum Leuchten. Dazu werden Lichtscheiben erzeugt, die Teile der Zelle erhellen. Aus den Einzelbildern lässt sich anschließend ein Gesamtbild zusammensetzen, das den Organismus von allen Seiten zeigt. Die Funktion bleibt erhalten, das Tier lebt ganz normal weiter statt während des Experiments zu sterben.

Zusehen beim Blutkreislauf

Stelzer und sein Team haben die frühe Entwicklung von Fruchtfliegen- und Zebrafisch-Embryonen beobachtet, zwei Tiere, die sich weltweit als Forschungsobjekte durchgesetzt haben und ganzen Schülergenerationen bekannt sind. Stelzer zeigt die Aufnahmen auf dem Monitor seines Laptops: Man kann zusehen, wo und wie sich Zellmembranen, Augen, Hirn und Herz bilden, wie ein Blutkreislauf beginnt. "Das hat zuvor noch keiner geschafft", sagt der Forscher. "Wir waren die Ersten."

Noch sei die Datenmenge der Bilder sehr groß. Sein Team arbeitet an einem Komprimierungsverfahren, das mit der Aufnahmegeschwindigkeit mithalten kann. Stelzers Grundlagenforschung soll der Entwicklung von Medikamenten dienen. Er ist sich sicher: "Die moderne Zellbiologie wird dreidimensional sein. Unsere Technik wird in den nächsten Jahren Einfluss nehmen."