Neuer Elektronenmikroskopie-Atlas erlaubt detailreiche Reise durch ganze Zellen und Gewebe

Das Wissen um die zelluläre Architektur ist für das Verständnis der Biologie unerlässlich. Die Elektronenmikroskopie (EM) macht dafür auf einzigartige Weise zelluläre Strukturen in Nanometerauflösung sichtbar. Herkömmliche Methoden wie die EM von Dünnschnitten oder die EM-Tomografie haben jedoch ihre Limitierungen, da sie nur eine einzelne Schicht bzw. ein relativ kleines Volumen einer Zelle sichtbar machen können. Die fokussierte Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskopie (FIB-SEM) im Gegenzug hat jedoch die Möglichkeit, auch größere Volumina von Zellproben sichtbar zu machen. Wissenschaftler des Paul-Langerhans-Instituts Dresden (PLID) des Helmholtz-Zentrums München am Universitätsklinikum Carl Gustav Carus und der Medizinischen Fakultät der TU Dresden haben an einer Studie unter der Leitung von Forschern des Janelia Research Campus mitgewirkt, die diese hochauflösende FIB-SEM-Technologie entwickelt und angewandt hat, um einen EM-Atlas für ganze Zellen und Gewebe zu erstellen. Darunter Krebszellen, Immunzellen, pankreatische Inseln von Mäusen sowie neurales Gewebe von Drosophila. Die Resultate dieser Kollaboration wurden jetzt in der hoch renommierten Fachzeitschrift "Nature" veröffentlicht.

Zellbiologen kennen die grundlegenden Funktionen der meisten intrazellulären Organellen seit Jahrzehnten. Doch trotz allem, was die Wissenschaftler über die zellulären Kompartimente in dieser Zeit gelernt haben, bleibt vieles über das Zusammenspiel dieser Organellen unklar. Heutzutage ermöglichen bildgebende Verfahren Einblicke in Zellen und ihre Funktion, aber die meisten Mikroskopietechniken sind entweder durch ihre Auflösung oder ihr Sichtfeld begrenzt, und Datensätze von hochaufgelösten ganzen Zellen sind äußerst selten. Forscher des PLID haben nun an einer Studie mitgewirkt, die diese Beschränkungen überwindet und zum ersten Mal hochauflösende Datensätze von ganzen Zellen in 3D liefert. Das Team unter der Leitung von C. Shan Xu und Harald Hess am Janelia Research Campus in Virginia, USA, hat eine neue hochauflösende Elektronenmikroskopietechnik entwickelt, die es ermöglicht alle Zellorganellen und sogar kleine Filamente des Zytoskeletts aufzulösen. Mit Hilfe der sogenannten FIB-SEM Technologie gelang es ihnen Bildvolumina verschiedener Zelltypen, darunter Neuronen und Betazellen der Bauchspeicheldrüse, in einer Voxelgröße von nur 4 nm aufzunehmen.

"Die Aufnahme von Bildern mit einer solchen Auflösung erfordert das schrittweise und extrem genaue abfräsen jeder einzelnen Probe im Mikroskop über mehrere Wochen - eine beispiellose technische Leistung", sagt Dr. Andreas Müller, Mitautor der Studie, und fügt noch hinzu: "Dieser neue Zellatlas ermöglicht es nun zum ersten Mal, eine virtuelle Reise ins Innere verschiedener Zelltypen zu unternehmen und dabei jede einzelne Organelle in unglaublichen Details zu beobachten. Diese Datensätze bieten uns somit einen erstaunlichen Einblick in die komplexe Organisation von Zellen und können uns helfen, deren Funktionsweise besser zu verstehen."

Die PLID-Wissenschaftler konnten diese Technologie bereits nutzen, um Betazellen vollständig zu rekonstruieren. Dadurch konnten sie bisher unmögliche Einblicke in die Interaktion von insulinhaltigen Vesikeln mit dem Zytoskelett gewinnen und erstmals das gesamte Mikrotubuli-Netzwerk einer Säugetierzelle auflösen (Müller et al., 2021).

Alle aufgenommenen Bilder sind auf der Website https://openorganelle.janelia.org/ unter einer Open-Access-Lizenz verfügbar. Die Website ermöglicht nicht nur das Durchsuchen der Bilder, sondern es ist ebenfalls möglich, die Bilder herunterzuladen oder Links zu interessanten Merkmalen in der Zelle zu erstellen, die dann gemeinsam mit anderen genutzt werden können. Dies erleichtert neue Erkenntnisse und fördert die Zusammenarbeit. 

Originalpublikation

C. Shan Xu, Song Pang, Gleb Shtengel, Andreas Müller, Alex T. Ritter, Huxley K. Hoffman, Shin-ya Takemura, Zhiyuan Lu, H. Amalia Pasolli, Nirmala Iyer, Jeeyun Chung, Davis Bennett, Aubrey V. Weigel, Tobias C. Walther, Robert V. Farese, Jr., Schuyler B. van Engelenburg, Ira Mellman, Michele Solimena, Harald F. Hess.
An open-access volume electron microscopy atlas of whole cells and tissues. Nature.
Published online October 6, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03992-4.

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03992-4