Ein Supermikroskop für ganz Nordbayern

23.01.2018

In diesem Jahr nimmt eines der leistungsstärksten Elektronenmikroskope der Welt an der Universität Würzburg die Arbeit auf. Es liefert Bilder von biologischen Molekülen in bisher nicht erreichter Qualität.

Bettina Böttcher vor Titan Krios, einem der leistungsstärksten Elektronenmikroskope (Foto: Gunnar Bartsch). (Bild: )

Es ist nach Herstellerangaben das leistungsstärkste und flexibelste Elektronenmikroskop der Welt, das hochaufgelöste Bilder biologischer Proben liefert – und das sowohl zwei- als auch dreidimensional: das Titan Krios der Firma FEI.

Jetzt kommt der Titan an die Universität Würzburg. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat den entsprechenden Antrag im vergangenen Jahr genehmigt und für die Anschaffung rund 3,8 Millionen Euro zur Verfügung gestellt. Hier wird er nicht nur Forscher aus Würzburg unterstützen, sondern auch Wissenschaftler der Universitäten Bayreuth, Erlangen und Regensburg. Mit seiner Hilfe können sie Aufnahmen von Strukturen biologischer Proben machen, die nicht einmal einen millionstel Teil eines Millimeters groß sind.

Aufnahmen bei minus 180 Grad Celsius

Verantwortlich für das Mikroskop ist Bettina Böttcher. Die Wissenschaftlerin ist seit August 2016 Professorin am Lehrstuhl für Biochemie der Universität Würzburg; ihr Schwerpunkt ist die sogenannte „Kryo-Elektronenmikroskopie“. Kennzeichen dieser Technik sind extrem tiefe Temperaturen bis zu minus 180 Grad Celsius und eine Auflösung, die sich in der Größenordnung von Atomen bewegt. Sie ermöglicht es, biologische Moleküle und Komplexe in Lösung zu untersuchen, die zuvor schockgefroren wurden, und deren dreidimensionale Struktur zu rekonstruieren.

Mit einer Spannung von 300.000 Volt beschleunigt das Mikroskop die Elektronen, mit denen es die Proben „abtastet“. Einmal in Betrieb wird es pro Arbeitstag bis zu zwei Terabyte Bild-Daten produzieren. Weil allerdings bisweilen mehrere Tausend Aufnahmen notwendig sind, um die dreidimensionale Struktur eines Moleküls abzubilden, kann eine einzelne Untersuchung schon mal zwei bis vier Tage dauern.

Auflösung im Bereich von Atomabständen

„Mit dem Gerät können wir hochauflösende Daten automatisch im Dauerbetrieb über mehrere Tage aufnehmen. Je nach Objekt erreichen wir dabei Strukturinformationen von zwei bis vier Ångström“, erklärt Professorin Bettina Böttcher. Ein Ångström ist die typische Größenordnung für Abstände von Atomen in Kristallstrukturen und Bindungslängen in Molekülen und entspricht einem zehntel Nanometer.

Außerdem ist das Elektronenmikroskop in der Lage, automatisch und schnell zwischen maximal zwölf Proben hin und her zu wechseln, ohne das Vakuum zu unterbrechen. Wichtig für die Wissenschaftler ist eine weitere Eigenschaft des Elektronenmikroskops: „ Wir können die Proben kontaminationsfrei zur späteren Weiteruntersuchung zurückgewinnen“, erklärt Bettina Böttcher.

Hohe Anforderungen an die Umgebung

Einen geeigneten Raum für die Aufstellung des Gerätes haben die Verantwortlichen am Rudolf-Virchow-Zentrum gefunden. Dieser muss besondere Anforderungen erfüllen: Damit das Mikroskop Bilder in der gewünschten Qualität liefert, muss es gegen Vibrationen, Schall und Feuchtigkeit geschützt und gegen elektromagnetische Strahlung abgeschirmt sein.

Ende 2017 ist das Elektronenmikroskop nach Würzburg gekommen, jetzt läuft der Aufbau. Wenn keine größeren Überraschungen auftauchen, will Bettina Böttcher in den kommenden Monaten den Routinebetrieb aufnehmen.