Hochauflösendes Mikroskop mit Fluoreszenzfluktuations- und Expansionsgel-Bildgebungsfunktionen

• Fachliche Zuordnung: Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524798474

Seit Jahrzehnten ist die Nutzung von Fluoreszenzmikroskopen durch die Beugungsgrenze von Licht auf annähernd die Hälfte des abgebildeten Lichtes (in den meisten biologischen Experimenten ca. 200-350 nm) begrenzt. Es sind bereits verschiedene super-auflösende Ansätze zur Überwindung der Beugungsgrenze entwickelt worden, doch ist es noch nicht möglich mittels Fluoreszenzmikroskopie die Morphologie einzelner Proteine oder kleiner Molekülkomplexe, weder in aufgereinigter Form, als auch im zellulären Kontext, abzubilden. Die Kombination optischer super-auflösender Technologien mit der Expansionsmikroskopie, in welcher die Probe selbst durch die Einbettung in ein quellbares Gel vergrößert wird, sollte prinzipiell eine höhere Auflösung erreichen. Dies scheiterte bislang daran, dass die Gele die Effektivität der meisten super-auflösenden Techniken, einschließlich Koordinaten-gezielte Ansätze (wie STED oder SIM) und Einzelmolekül-basierte Methoden (wie STORM) limitierte. Vor Kurzem fanden wir eine Lösung für dieses Problem. Wir kombinierten die Expansionsmikroskopie mit der super-auflösenden radialen Fluktuationsanalyse (super-resolution radial fluctuations analysis, SRRF) und erlangten in verschiedensten Proben/Farbkanälen eine Auflösung von 0.8 bis 1 nm. Wir wendeten diese Technik, welche wir Ein-Nanometer Expansionsmikroskopie (one-nanometer expansion microscopy, ONE) genannt haben, in vielen Fragestellungen an, von klinischer Diagnostik, bis zur Formanalyse von einzelnen Molekülen. Es ist möglich eine höhere Leistung mit einer wesentlich besseren Auflösung als 1 nm zu erhalten, da die Ergebnisse allein durch das Signal-Rausch-Verhältnis begrenzt sind. Um dies zu erreichen, bewerben wir uns hiermit für ein Mikroskop, welches das Instrument ersetzen soll, mit dem wir die ONE Mikroskopie etabliert haben, und uns zugleich substantielle Vorteile ermöglichen wird. Zudem benötigen wir dieses Instrument für eine Vielzahl von anderen Projekten, welche sich insbesondere mit lebenden Proben beschäftigen, um die generelle Funktionalität unseres vorherigen Systems zu ersetzen. Zusammengefasst brauchen wir ein Instrument mit folgenden Anforderungen: 1) Die Bereitstellung einer dynamischen Analyse von expandierten Gelen mit hervorragender Scan-Geschwindigkeit und Signal-Rausch-Verhältnis; 2) Das Ermöglichen von routinemäßigen Probentests mit super-Auflösung (50 nm oder besser) in sowohl fixierten, als auch lebendigen Zellen; 3) Die Anwendung von Prozeduren zur Probenanalyse wie die Fluoreszenz Rückgewinnung nach Photobleichung (fluorescence recovery after photobleaching, FRAP); 4) Gewährleisten der Kompatibilität von starken Mehrfachverarbeitungen, wie die Nutzung von Fluoreszenz-Lebenszeit-Darstellungen. Das benötigte Gerät würde in der Biomedizinischen Mikroskop Unit der Universitätsmedizin Göttingen aufgebaut werden und ein stark genutztes Mikroskop, welches im Jahre 2007 installiert wurde und nach 2023 nicht mehr vollständig funktionstüchtig sein wird, ersetzen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Hochauflösendes Mikroskop mit Fluoreszenzfluktuations- und Expansionsgel-Bildgebungsfunktionen
• Gerätegruppe: 5090 Spezialmikroskope
• Antragstellende Institution: Georg-August-Universität Göttingen
• Leiter: Professor Silvio-Olivier Rizzoli, Ph.D.