Physikalische Biologie und moderne Lichtmikroskopie

Wie verläuft die Entwicklung von Organismen und wie lässt sich die dafür notwendige Ausdifferenzierung von Zellen minutiös und plastisch beobachten? Für die genaue Analyse der Zellbildung nutzen Wissenschaftler seit den 1980er-Jahren die konfokale Fluoreszenzmikroskopie. Dafür werden Moleküle in Zellen fluoreszierend gekennzeichnet, durch das Lichtmikroskop zum Leuchten gebracht und ihre dreidimensionale Verteilung mit einer Kamera aufgezeichnet.

Seit über zwanzig Jahren ist Professor Ernst H. K. Stelzer an der Entwicklung hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie beteiligt. Auch Verfahren wie die optische Levitation, optische Pinzetten und das laserbasierte Schneiden in biologischen Materialien hat er maßgeblich weiterentwickelt. Mit diesen Methoden können Zellen exakt untersucht werden. Während die Energie der Photonen die Zelle früher weitgehend zerstörte, lässt heute ein Fluoreszenzlichtscheibenmikroskop selbst Fischembryonen fast unbeschädigt. Der Trick ist, dass mikrometer- dünne Lichtscheiben nur die schmalen Bereiche der Zelle erhellen, die auch beobachtet werden. Die Kamera nimmt entlang verschiedener Richtungen undWinkel Bilder der Probe auf. Aus den Einzelbildern werden dann computergesteuert dreidimensionale Gesamtbilder und vor allem Filme zusammengesetzt. „Diese mikroskopische Methode eröffnet ganz neue Möglichkeiten, die molekulare Dynamik und die langfristige Entwicklung biologischer Modellorganismen oder Zellverbände zu erfassen“, berichtet Stelzer. „Da wir die Zellproben unter möglichst natürlichen Wachstumsbedingungen untersuchen, können wir sehr präzise Ergebnisse erzielen.“ Auch die Auswirkungen von Veränderungen in der Umgebung oder von Genmutationen lassen sich im direkten Vergleich messen. Stelzer und sein Team erforschen die embryonale Entwicklung von Zebrafischen, Medaka und die Unterschiede zwischen Klonen der Taufliege Drosophila. Ein Ziel seiner Arbeit sieht Stelzer darin, über die Erfassung biophysikalisch korrekter Parameter zu der passgenauen Entwicklung von Medikamenten beizutragen.

In seiner Lehre möchte Stelzer Studierende dazu anregen, wissenschaftliche Ergebnisse und Verfahren immer kritisch zu überdenken. Neben dem Methodenspektrum mikroskopischen Arbeitens will er ihnen die Einsatzmöglichkeiten mathematisch-analytisch rechnender Programme wie „Mathematica“ für die Forschung vermitteln.