Entwicklungsprozesse im Körper verstehen

Jan Huisken ist ein Pionier der modernen Mikroskopie. Der Humboldt-Professor der Universität Göttingen arbeitet seit vielen Jahren an der Schnittstelle von Physik und Biologie. Mit seiner Expertise im Bereich Optik und Biophysik trägt er entscheidend zur Forschungsstärke des Exzellenzclusters „Multiscale Bioimaging” bei.

Herr Huisken, Sie sind von Haus aus Physiker und haben seit Oktober 2021 an der Universität Göttingen eine Professur für Multiskalen-Biologie. Was können wir uns darunter vorstellen?

In der Biologie möchte man häufig Prozesse in der Zelle oder in Zellverbünden visualisieren. Gleichzeitig möchte man diese Prozesse idealerweise in intaktem Gewebe, heißt im lebenden Embryo, studieren. Das stellt uns vor die Herausforderung, diese sehr kleinen Prozesse mit hochauflösenden Techniken zu visualisieren, die Vorgänge aber gleichzeitig auch über mehrere Skalen hinweg im gesamten Tier zu beobachten. Mir ist es sehr wichtig, dass unsere lichtmikroskopischen Entwicklungen sinnvoll genutzt werden, zum Beispiel in der Biologie oder in der Medizin. Deshalb kommen in meinem Labor viele verschiedene Disziplinen zusammen: aus Physik und Biologie, aber auch aus Informatik und Mathematik oder auch mal der Chemie.

Die Universität hatte Sie unter anderem wegen Ihrer Methoden-Expertise für die Humboldt-Professur vorgeschlagen. Mit modernen Mikroskopie-Verfahren liefern Sie dreidimensionale Bilder, die helfen, biologische Entwicklungsprozesse in lebenden Organismen zu verstehen. Zentral ist hier die Lichtblattmikroskopie. Was ist das?

Dabei handelt es sich um eine Technik der optischen Fluoreszenzmikroskopie. Fluoreszenz bedeutet, dass ein Farbstoff in eine Probe eingebracht wird, der im Laserlicht leuchtet. In unserem Labor arbeiten wir zum Beispiel mit dem Zebrafisch. In den Tieren haben wir verschiedene Organe markiert, das heißt, da leuchtet zum Beispiel das Herz rot, das Gehirn grün und die Gefäße sind gelb. Das erlaubt es uns, sehr spezifisch die einzelnen Gewebe zu studieren. Die am weitesten verbreitete Methode dafür ist die konfokale Mikroskopie, mit der man relativ tief ins Gewebe hineinschauen kann. Sie ist aber sehr langsam und schädigt die Probe mit sehr viel Laserlicht.

In der Lichtblattmikroskopie dagegen wird nur eine Ebene in der Probe tatsächlich beleuchtet und der Rest der Probe geschont. Und sie ist sehr schnell: Wir nehmen ungefähr 100 Bilder pro Sekunde auf. Ein typischer Bildstapel durch so eine Probe lässt sich in drei bis fünf Sekunden aufnehmen, an einem konfokalen Mikroskop dauert so etwas eine halbe Stunde. Wir können uns also lebende Organismen über mehrere Stunden oder Tage im Mikroskop anschauen, ohne dass diese gestört werden in ihrer Entwicklung: zum Beispiel, wie einzelne Nervenzellen im Gehirn miteinander kommunizieren, der Blutfluss oder das schlagende Herz im Zebrafisch.

© Klein und Neumann, Iserlohn

Sie bringen sich als Mitglied in unseren Exzellenzcluster Multiscale Bioimaging ein, in dem über verschiedene Längenskalen Eigenschaften elektrisch erregbarer Zellen in Herz und Gehirn untersucht werden. Was genau können Sie hier beitragen?

Die beiden Organe Herz und Gehirn lassen sich bereits im Zebrafisch wunderbar anschauen, aber wir sind offen auch für andere Modellorganismen oder biologische Modelle. Die Lichtblattmikroskopie ist hierfür eine ideale Methode, weil die Prozesse im Gehirn, wo einzelne Zellen miteinander kommunizieren, sehr schnell ablaufen. Will man das optisch abbilden, also wann feuert eine Zelle und wann reagiert eine andere Zelle, dann muss man äußerst schnell sein und nicht nur eine Ebene, sondern am besten das gesamte Gehirn aufnehmen. Dies gilt ebenso für das Herz, das sich sehr schnell in allen drei Dimensionen bewegt.

Mit der Lichtblattmikroskopie versuchen wir eine entscheidende Lücke zu schließen zwischen der hochauflösenden Nanoskopie einzelner Zellen oder kleiner Gewebe, wie sie von Stefan Hell vorangetrieben wird, und der medizinischen Bildgebung, wie wir sie mit CT- und MRT-Untersuchungen am Menschen aus dem Krankenhaus kennen. Diese Lücke auf der makroskopischen Skala ist sehr weit und spannt sich von einem Bruchteil eines Millimeters bis zu Zentimetern.

(Anmerkung der Redaktion: Dieser Text ist ein Auszug aus dem Portrait von Prof. Dr. Jan Huisken im Jahresbericht 2021. Der komplette Jahresbericht ist auf den Webseiten der Universität verfügbar, das vollständige Interview findet sich dort ab Seite 42.)

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