Nahaufnahme eines Bienenkopfs
Manchmal ist auf einem Bild sofort zu erkennen, was mit Worten nicht zu beschreiben ist. Mikroskopische Aufnahmen geben einen Einblick in die faszinierende Welt der Forschung im Nanometer-Bereich.
Bildgebende Verfahren sind seit der Erfindung von Röntgen- und Ultraschallgeräten nicht mehr wegzudenken. Heute wird kein gebrochenes Bein, keine Schwangerschaft und kein Tumor ohne Beweisbild diagnostiziert. In der Industrie müssen täglich Materialien und Oberflächen geprüft werden, und in fast jedem Forschungslabor steht ein Mikroskop. Um jedoch bis auf die Ebene der Elemente sehen zu können, reicht ein einfaches Standmikroskop mit 10-facher Vergrößerung nicht aus. In der biochemischen Forschung geht es darum, Strukturen zu erkennen, Funktionen zu beschreiben und Zusammenhänge sichtbar zu machen. Dies ist nur mit der Vergrößerung und Auflösung teurer Hightech-Geräte möglich.
Kostspielige Fotos
„Forscher haben sehr anspruchsvolle und spezifische Gerätewünsche“, erzählt Wilhelm Kincses, Leiter der Core Facility an der Universität Hohenheim. Technik im Wert von Millionen Euro können sich nur die wenigsten Labore allein leisten. Institute müssen sich deshalb zusammentun und gemeinsam Fördermittel beantragen. Nur wer gute Argumente vorbringen kann, kommt in die engere Auswahl. Die gewünschten Geräte müssen etwa einen hohen Nutzen für das Fachgebiet haben.
Der Europäische Fond für regionale Entwicklung (EFRE) vergibt Mittel, um die Wirtschaft und Forschung in bestimmten Gebieten nach der Pandemie zu unterstützen. 2,6 Millionen Euro gingen Anfang des Jahres an den Verbund BioInterAct. Mitglieder sind die Universität Hohenheim, die Universität Tübingen und das Kompetenzzentrum Biodiversität und integrative Taxonomie (KomBioTa) des Naturkundemuseums Stuttgart. Ähnlich wie bei den Forschungsverbünden FutureIOT und AMICA haben sich die Institute mit einem gemeinsamen Ziel zusammengeschlossen. Sie verfolgen den Ansatz, mit dem neuen Imaging-Verbund aus fünf Hightech-Geräten, die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen, Insekten und Boden zu visualisieren. Dank der neuen Technologien sollen neue Erkenntnisse in den Bereichen Agrarwissenschaften und Biodiversität gewonnen werden „Leider wird die Forschungsfrage oft von den technischen Möglichkeiten abhängig gemacht“, sagt Kincses, „das führt zu Forschungslücken, die es zu vermeiden gilt. Das wird jetzt nicht mehr passieren“.
Mit den Geräten können wir dasselbe Untersuchungsobjekt auf unterschiedlichen Skalen betrachten
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In der Agrarforschung sind die Nährstoffkreisläufe im Ökosystem und in der Pflanze selbst von besonderem Interesse. „Mit den Geräten können wir dasselbe Untersuchungsobjekt mit verschiedenen bildgebenden Analyseverfahren auf unterschiedlichen Skalen betrachten – vom Zentimeter bis zum Nanometer“, erklärt Julia Fritz-Steuber, Prorektorin an der Universität Hohenheim. So wie die Zellen ein Netzwerk darstellen, gibt es auf allen Ebenen ähnliche Strukturen – zwischen Molekülen, Zellen, Pflanzen und ganzen Systemen von Lebewesen. „Um zwischen diesen Ebenen lückenlos springen zu können, müssen alle Skalen abgedeckt und die Geräte miteinander verbunden sein”, erklärt Fritz-Steuber in ihrem Vortrag anlässlich der Einweihung der neuen Geräte.
Ein Imaging-Verbund aus fünf Hightech-Geräten:
- Das konfokale Super-Resolution-Mikroskop und konfokale Laser-Scanning-Mikroskop:
Ob es um die Signalübertragung in den Zellen eines Blattes oder um die Oberfläche eines Insektenauges geht: Normale Lasermikroskope würden das lebende Material beim Scannen verbrennen. Dank schonender Strahlen und einer Umweltkontrollbox im Hightech-Gerät bleibt die Probe nun unbeschädigt. Wenn ein Forscher an der Oberflächenstruktur interessiert ist, kann auch eine dreidimensionale Aufnahme der Probe erstellt werden. - Das Isotopenverhältnis-Massenspektrometer:
Wenn ein ganzes Ökosystem untersucht wird, ist die Forschung aufgrund des offenen Raums komplizierter als bei einem Versuch im Labor. Oft kann man nicht nachvollziehen, welcher Regen in den Boden eingedrungen ist, welchen Dünger die Pflanze aufgenommen hat oder wo in der Pflanze der untersuchte Dünger gespeichert wurde. Jeder Stoff hat jedoch seine charakteristische Isotopen-Zusammensetzung. Diese kann mit dem Spektrometer bestimmt werden. So lässt sich vergleichen, welcher Dünger Spuren in einem Gewässer hinterlassen hat oder welche Isotope dem Gebiet entsprechen, in dem ein Vogel Insekten gefressen hat. - Das Umwelt-Rasterelektronenmikroskop:
Durch ein leichtes Vakuum in diesem Gerät können auch feuchte und lebende Proben naturgetreu abgebildet werden. Bei der herkömmlichen Rasterelektronenmikroskopie muss die Probe vorher speziell getrocknet und behandelt werden. Dadurch verändert sich aber oft die Struktur und das Bild wird verfälscht. Forscher wollen mit der neuen Technik lebende Biofilme und die Oberflächen verschiedener Mikroorganismen untersuchen. - Das Raman-Rasterkraftmikroskop:
3D-Aufnahmen und Strukturabbildungen von Oberflächen im Nanometerbereich können mit dem neuen korrelativen Raman-Rasterkraftmikroskop gemacht werden. Besonders ist: Das Gerät liefert zusätzlich die chemische Zusammensetzung der Probe. So lassen sich zum Beispiel die Bestandteile und Oberflächen von Pollen oder Lebensmittelpartikeln schnell entschlüsseln.
Nach dem mühsamen Ringen um Fördergelder und der Einweihung geht es jetzt richtig los. An der Universität Hohenheim, Universität Tübingen und am KomBioTa läuft schon Forschung, die nur auf den Startschuss gewartet hat.
