Aktivitäten

Besichtigung des Instituts für Elektronenmikroskopie
der Tiermedizinischen Hochschule Hannover

Am Donnerstag, 03.11.05, unternahmen der Biologiekurs der Klasse 11 und der Grundkurs des Jahrgangs 13 eine Exkursion in die Tiermedizinische Hochschule Hannover, Institut für Elektronenmikroskopie, unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. Ralf Stelzer.

Ziel der Exkursion war ein „hautnahes“ Erleben von Inhalten des Themas Zellbiologie, das im ersten Halbjahr der Klasse 11 behandelt wird. Ein zentraler Aspekt der Einheit Zellbiologie stellt die Behandlung des Elektronenmikroskops (EM), d.h. seines Aufbaus und seiner Funktion, ebenso die des Rasterelektronenmikroskops (REM) und der präparativen Techniken wie der Ultradünnschnitt-Technik wie auch der Kryofixierung dar.

Theorie:

Um den Feinbau einer Zelle zu untersuchen, reicht ein normales Lichtmikroskop nicht aus. Man verwendet zur Detailansicht von Zellorganellen wie Mitochondrien, Chloroplasten, Vakuolen usw. ein Elektronenmikroskop.

Die Leistungsfähigkeit eines Lichtmikroskops wird durch sein Auflösungsvermögen begrenzt:
Zwei nebeneinander liegende Punkte können noch getrennt wahrgenommen werden, wenn ihr Abstand mindestens der halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes entspricht. Dieses begrenzte Auflösungsvermögen erforderte eine Weiterentwicklung des Lichtmikroskops, die in der Erfindung des Elektronenmikroskops mündete.

Als Elektronenquelle verwendet man einen Wolframdraht, der elektrisch zum Glühen gebracht wird. Dabei entweichen Elektronen, die durch ein elektrisches Hochspannungsfeld von über 100 000 Volt auf Geschwindigkeiten bis 720 Millionen km/h beschleunigt werden. Dies geschieht in einem luftleeren Raum, einem Vakuum, damit die Luftteilchen nicht abgebremst werden. Aus diesem Grund können auch keine Glaslinsen verwendet werden, da Glas Elektronenstrahlen absorbiert. Man nimmt spezielle Elektronenmagnete, durch die Elektronenstrahlen ähnlich abgelenkt werden wie Lichtstrahlen durch Glaslinsen. Die Auflösungsgrenze bei biologischen Präparaten liegt gewöhnlich bei 1nm bis 3nm.

Die Erzeugung des Elektronenstrahls erfordert eine lange Röhre, den Tubus. Daher ist der Strahlengang aus praktischen Erwägungen heraus umgekehrt zu dem im Lichtmikroskop. Man kann so das Bild bequem am unteren Ende des Tubus über einen Leuchtschirm betrachten. Dieser Fluoreszenzschirm wandelt die für das menschliche Auge unsichtbaren Elektronenstrahlen in sichtbares Licht um.

Die am häufigsten angewandte Präparationsmethode ist die Ultradünnschnitt-Technik. Dabei werden Objekte ähnlich behandelt wie bei der Herstellung von Dauerpräparaten für die Lichtmikroskopie. Zellen oder kleine Gewebestückchen werden nacheinander in Lösungen von Aldehyden und Osmiumtetroxid gegeben. Durch diese chemische Fixierung werden die Zellstrukturen in einem bestimmten Zustand gehalten. Anschließend erfolgt eine Entwässerung durch Ethanol- oder Aceton-Lösungen steigender Konzentration. Um die Objekte schneiden zu können, müssen sie erst „eingebettet“ werden. Die Einbettung geschieht in flüssigen Kunstharzen, die in das Objekt eindringen und anschließend erhärten. Die fertigen Kunststoffblöcke werden dann so angespitzt, dass das eingebettete Objekt an der Spitze einer kleinen Pyramide zu liegen kommt. Der Schneidevorgang selbst wird mit einem besonderen Mikrotom vorgenommen, dem Ultramikrotom. Mit diesem Präzisionsgerät lassen sich äußerst feine Dünnschnitte von 10 nm bis 100 nm Dicke herstellen.

Erst solche Dünnschnitte lassen Elektronen hindurch. Die Objekte werden mit besonders geschliffenen Diamantmessern oder an Glasbruchkanten geschnitten. Hinter der Kante ist ein wassergefüllter Trog angebracht, der die Ultradünnschnitte auffängt. Von der Wasseroberfläche werden sie mit Objektträgern abgenommen. Als Objektträger verwendet man kleine Kupfernetze oder Kupferringe, die mit einer hauchdünnen Kunststoff-Folie überzogen sind.

Vor allem die Kryofixierung erlaubt eine Aussage zum ursprünglichen Lebenszustand der Zelle: Die lebenden Objekte werden extrem schnell auf sehr tiefe Temperaturen, z.B. -196° C, abgekühlt.

Zu Beginn unserer Exkursion trafen wir uns im Institut der Elektronenmikroskopie. In einem Laborraum hatte Herr Prof. Dr. Stelzer ein Lichtmikroskop aufgebaut. Er erklärte, dass sich unter dem Mikroskop bzw. auf dem Objekttisch desselben ein Rübenblatt befand. Dieses Blatt hatte er frisch gepflückt und sofort mit einem normalen Kleber insofern behandelt, als dass er die sich auf der Unterseite des Blattes befindenden Spaltöffnungen (Stomata) fixierte. Ziel war eine Momentaufnahme der geöffneten, halboffenen und geschlossenen Stomata zu erhalten. Jeder Schüler hatte die Möglichkeit, sich das relativ grobe Bild unter dem Lichtmikroskop anzuschauen. Um genauere Informationen zu erhalten, schauten wir uns dasselbe Objekt später (Foto (8/8) auf dem Rasterelektronenmikroskop (REM) an.

Hier befinden wir uns in einem abgedunkelten Raum, in dem das EM steht. Jeder Schüler konnte sich unter Anleitung von Herrn Prof. Dr. Stelzer die Ultrastruktur der Zelle ansehen. So manch einer entdeckte Mitochondrien, Chloroplasten, Vakuolen o.ä., allerdings „nur“ in den Farben Schwarz/Weiß, was so gar nicht den schönen farbigen Abbildungen aus Schulbüchern entsprach und die gezielte Suche nach bestimmten Zellorganellen um einiges erschwerte.

Zum Schluss gingen wir mit Herrn Prof. Dr. Stelzer in ein anderes Gebäude auf dem großen Gelände der TiHo, in die Pathologie. Dort zeigte er uns dasselbe Rübenblatt, dessen Stomata wir vorher nur grob unter dem Lichtmikroskop gesehen hatten. Nun befand sich das Objekt aber in einem Rasterelektronenmikroskop. Wir konnten die Stomata in verschiedenen Öffnungsphasen sehen und sogar ein einzelnes extrem nah betrachten.

Mit dem REM ist es möglich, eine Oberfläche mittels eines Elektronenstrahls, der sehr fein gebündelt wird, abzutasten. Im Gegensatz zur Vergrößerung eines Lichtmikroskops (max. 1000 fach) kann mit Hilfe eines REM eine Vergrößerung bis zu 100 000 erreicht werden. Die Auflösung liegt bei einigen nm, also im Bereich großer Moleküle.

Im Gegensatz zum EM werden die Objekte nicht durchstrahlt, sondern ein Elektronenstrahl hoher Geschwindigkeit trifft auf die Oberfläche des Präparates. Dabei werden aus jedem getroffenen Objektpunkt Elektronen herausgeschleudert. Aufgrund der Neigung des Präparates zum Detektor (Anode) erscheint auf dem Bildschirm ein räumliches Bild von der Objektoberfläche.

Wir danken Herrn Prof. Dr. Stelzer für seine Bereitschaft, uns das Thema "Elektronenmikroskopie und Ultrastruktur der Zelle" in dieser anschaulichen und informativen Art und Weise näher gebracht zu haben.

Nicola Diedrich
Fachlehrerin Biologie