Münster (upm) - Viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben sie lang ersehnt, nun wird sie angeschafft: Nach einer Bewilligung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) erhalten WWU-Forscher eine Geräteausstattung für Hochleistungs-Kryo-Elektronenmikroskopie. Damit wird es den Forschern möglich sein, molekulare Prozesse sichtbar zu machen – zum Beispiel in Körperzellen – und Partikel wie Viren oder synthetische Nanostrukturen dreidimensional zu untersuchen, bis hin zu einzelnen Atomen. Für die Präparationsinstrumente und das hochauflösende Mikroskop der neuesten Generation, die in einem eigens dafür gebauten Labor im Center for Soft Nanoscience (SoN) der WWU stehen werden, stellen die DFG und das Land Nordrhein-Westfalen aus dem Förderprogramm „Forschungsgroßgeräte“ insgesamt 7,5 Millionen Euro zur Verfügung.

Bislang gibt es kein vergleichbares Kryo-Elektronenmikroskop an der Universität Münster. Auch die wenigsten anderen deutschen Hochschulen haben Zugang zu einer Kryo-Elektronenmikroskopie-Ausstattung dieser Leistungsklasse. „Dabei gilt die WWU in den Bereichen ‚Zelldynamik und Bildgebung‘ und Nanowissenschaften weltweit zu den führenden Hochschulen. Der Bedarf, diese hochmoderne Schlüsseltechnologie zu nutzen, ist immens“, unterstreicht Prof. Monika Stoll, Prorektorin für Forschung. „Das Gerät ist eine Voraussetzung dafür, dass die WWU auf dem Gebiet der multiskaligen Bildgebung in der internationalen Forschungslandschaft wettbewerbsfähig bleibt.“

Das neue Kryo-Elektronenmikroskop wird eines der leistungsstärksten Geräte dieser Art im universitären Raum in Deutschland sein. Die Ausstattung umfasst auch ein automatisiertes Screening-Elektronenmikroskop, das eine optimale Vorauswahl der Proben ermöglicht, und ein Kryo-fokussiertes-Ionenstrahl-/Rasterelektronenmikroskop, das zur Präparation der Proben benötigt wird. Fast 20 Arbeitsgruppen aus den Fakultäten für Medizin, Biologie sowie Chemie und Pharmazie werden dieses Instrumentarium nutzen. Auch die assoziierten Sonderforschungsbereiche (SFB) 1450 „inSight“, 1348 „Dynamische zelluläre Grenzflächen“, 1009 „Breaking Barriers“ und 1459 „Intelligente Materie“ werden von den einzigartigen Vorteilen der Methode profitieren. Federführender Antragsteller und hauptverantwortlich für die Großgeräte ist Prof. Christos Gatsogiannis vom Institut für Medizinische Physik und Biophysik (Medizinische Fakultät).

Besondere Infrastruktur

Die besondere bauliche Ausstattung des SoN, das 2018 eingeweiht wurde, ist Voraussetzung für die Anschaffung des Mikroskops. Der Boden in dem Labor, in dem das Kryo-Elektronenmikroskop stehen wird, ist beispielsweise nahezu perfekt schwingungsgedämpft. Das ist nötig für den Betrieb des Geräts, da sonst bereits ein am Gebäude vorbeifahrendes Auto die aufwändigen und teuren Messungen zunichtemachen würde. Auch die Einrichtung der nötigen IT-Infrastruktur ist eine besondere Herausforderung: Das Gerät wird monatlich Hunderte von Terabytes an Bilddaten aufnehmen. Für die Prozessierung der Daten steht an der WWU der Hochleistungsrechner „PALMA II“ zur Verfügung.

Mikroskopieren bei tiefen Temperaturen

Die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) ist eine Variante der Transmissionselektronenmikroskopie, bei der mikroskopische Objekte mithilfe von Elektronenstrahlen bei kryogenen Temperaturen abgebildet werden. Die zu untersuchenden organischen Moleküle werden bei der Hochleistungs-Kryo-EM isoliert oder direkt in der lebenden Zelle visualisiert. Durch ein spezielles Verfahren werden die Proben so schnell auf minus 196 Grad Celsius abgekühlt, dass sie nahezu unversehrt erhalten bleiben. Im Jahr 2017 erhielten Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson den Chemie-Nobelpreis für die Entwicklung dieser Technik. 2020 gelang es einem Forscherteam erstmals, einzelne Atome in einer Proteinstruktur mittels Kryo-EM zu beobachten. Durch diese Technik ist es möglich, nachzuvollziehen, wie Proteine in lebenden Zellen funktionieren oder auch Krankheiten hervorrufen.