Biologie und Biotechnologie

Um strukturelle Informationen biologischer Proben auf der Mikro- und Nanoskala zu verstehen, reicht die Auflösung konventioneller Lichtmikroskope und Röntgentomographie-Systeme nicht aus. Mit JEOL-Elektronenmikroskopen können kleinste biologische Strukturen wie Viren, aber auch mikroskalige Objekte wie Synapsen oder Zellen, abgebildet und dreidimensional rekonstruiert werden.

Rekonstruktion eines Bakteriophagen (links) und Synapsen (rechts)

Bildquelle: Journal of Structural Biology 177 (2012) 589–601 bzw. JEOL News 51

Für die hochaufgelöste Abbildung und Analytik biologischer Proben ist es oftmals notwendig, die Probe im nativen Zustand zu untersuchen. Dank des patentierten JEOL Aqua Covers können selbst feuchte oder hydratisierte Proben in einem Rasterelektronenmikroskop bei niedrigem Druck abgebildet werden.

Abbildung eines Wassertropfens auf einer Rosenblatt-Oberfläche

Bildquelle: JEOL Ltd. (Präsentation Aqua Cover)

Im Laufe der Evolution haben Lebewesen vielfältige mikroskopische Oberflächenstrukturen entwickelt um sich beispielsweise wie ein Gecko an glatten Oberflächen oder ein Wasserläufer auf Wasser fortzubewegen. Zur detailgetreuen Charakterisierung dieser Strukturen bietet JEOL vollständig integrierte Lösungen für die artefaktfreie Präparation und höchstauflösende Abbildung an.

REM-Abbildung des Oberschenkels eines Gliederfüßers.

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Applikationsarbeit für TUM Weihenstephan, Fachbereich Zoologie

Biozide werden heutzutage flächendeckend zur Schädlingsbekämpfung in der Landwirtschaft eingesetzt. Für die Zulassung von landwirtschaftlichen Erzeugnissen ist die quantitative Bestimmung der toxischen Rückstände des  eingesetzten Pflanzenschutzmittels von essentieller Bedeutung. Die hochauflösenden analytischen Instrumente von JEOL können einfach und schnell Spuren von Bioziden selbst bei niedrigsten Konzentrationen nachweisen.

Massenspektrum von verschiedenen Herbiziden

Bildquelle: JEOL Ltd. / DART Application Notes, Seite 57

Die Oberfläche von Lotusblättern kann als Modellsystem für selbstreinigende Oberflächen dienen. Die genaue Charakterisierung dieser Oberflächen ist essentiell um sie nachbauen zu können. Die Oberfläche von Lotusblättern besteht aus kleinen Wachsröhren, die während der Untersuchung mittels Elektronenstrahl leicht zerstört werden können. Hierzu offeriert JEOL maßgeschneiderte Lösungen mit welchen die Proben kontrolliert thermisch stabilisiert werden und somit eine Zerstörung durch die Beobachtung ausgeschlossen werden kann.

Oberfläche einen Lotusblattes. Der Durchmesser der Wachsröhren beträgt ca 50 nm

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Zur hochaufgelösten Abbildung und Analytik biologischer Proben in einem Elektronenmikroskop müssen gesonderte Präparationsmethoden angewandt werden. Gerade Nahrungsmittel bzw. deren Komponenten lassen sich nur durch aktive Kühlung artefaktfrei darstellen. JEOL Elektronenmikroskope sind daher serienmäßig für die Installation von Kryo-Systemen vorbereitet, sodass empfindliche Proben extern präpariert, gekühlt transferiert und schließlich im Kryo-Betrieb untersucht werden können.

Elektronenmikroskopische Abbildung von Milchpulver

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, DIL Quakenbrück

Die Aufklärung von Proteinstrukturen durch die kryo Elektronenmikroskopie hat in den letzten Jahren große Veränderungen erlebt und wurde 2017 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt (https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/advanced-chemistryprize2017.pdf).
Mit der Einführung schneller, hochempfindlicher Kameratechniken und einem hohen Automatisierungsgrad der Elektronenmikroskope ist es möglich mit Auflösungen von 2 Ångström und darunter, Proteine in ihrer nativen Umgebung (amorphes Eis) zu charakterisieren.
Die Methode der Einzelpartikel Analyse (engl.: single particle analysis oder SPA) erlaubt Proteine, welche nicht kristallisiert werden können, in einer schnellen und effizienten Art und Weise zu untersuchen. So können z.B. schnell neue Wirkstoffe gegen verschiedenste Krankheiten entwickelt oder auch grundlegende Funktionsweisen von biochemischen/ molekularbiologischen Prozessen verstanden werden.

GroEL Protein, 40k x Vergrößerung, K2 summit, CRYO ARMTM 200, Pixelgröße 0,12nm, 200kV
Schottky, rechts oben: live FFT, zero-loss Aufnahme (Omega Energiefilter bei 20eV Schlitzweite).

Bildquelle: JEOL Ltd., Universität Osaka, Prof. Namba

DNA Origami ist eine neue Technik in der synthetischen Biologie bzw. den Disziplinen der Biochemie und Biophysik. Hier werden DNA Moleküle in beliebige zwei- und dreidimensionale Nanoformen gebracht. Anwendungen finden diese synthetisch gefalteten DNA Moleküle z.B. als zukünftige biokompatible Träger von Wirkstoffen oder der Herstellung von Nanomaschinen bzw. Nanorobotern.

Negativ kontrastierte TEM Aufnahme von synthetisierten DNA Molekülen

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, TU München, Prof. Dietz bzw. Klaus Wagenbauer.

Metallpulver werden unter anderem bei der Herstellung von Metallkeramiken verwendet. Hierbei spielen die Dichte und der Aufbau des Pulvers eine tragende Rolle. Mit JEOL Mikroskopen ist es möglich, Struktur und Materialzusammensetzungen bis ins Detail darzustellen. Hierfür bietet JEOL eine etablierte und leistungsfähige Komplettlösung zur einfachen, artefaktfreien Präparation und höchstauflösenden Abbildung und Analytik.

REM- Abbildung eines metallischen Pulvers

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Magnetotaktische Bakterien orientieren sich mit Hilfe von membranumhüllten Magnetitpartikeln entlang des Erdmagnetfeldes. Diese Organismen dienen als Modelle zur Untersuchung der komplexen Prozesse der Biomineralisation. Zusätzlich werden die sogenannten Magnetosomen (Einheit aus Magnetitkristall und Membran) als Träger für Wirkstoffe getestet, sowie für neue Therapieformen in der Medizin (Hyperthermietherapie). Für die hochauflösenden elementare Zuordnung der einzelnen Komponenten stellt JEOL kombinierte und vollständig automatisierte Lösungen bereit.

Elementanalyse (rotes Rechteck) bei 120 kV im (S)TEM an magnetotaktischen Bakterien, Magnetitketten (grün)

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Im Rahmen einer Biopsie erfolgt eine Gewebeentnahme welche anschließend unter dem Mikroskop untersucht wird. Zusätzlich können durch die Verwendung von Markern die zu untersuchenden Wirkstoffe zielgerichtet lokalisiert werden. Hierfür bietet JEOL zum einen speziell entwickelte, automatisierte Systeme zur einfachen und kontraststarken Abbildung und hochauflösenden und ultrastrukturellen Diagnostik an. Zum anderen können die verwendeten Marker durch hochsensitive JEOL EDX-Detektoren zielgerichtet lokalisiert werden.

TEM-Abbildung von einem Gewebeschnitt

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Demo Friedrich Baur Institut München

Fossile Kraftstoffe wie z.B. Diesel sind hochkomplexe Mischungen aus den verschiedensten linearen, zyklischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen. Diese aufzutrennen und somit die Bestandteile des Kraftstoffes eindeutig zu bestimmen ist dabei von großer Bedeutung. Durch die Kombination von speziellen 2-dimensionaler GC-Techniken können JEOL Systeme exakte und schnelle Strukturinformationen liefern.

2-dimensionales Totalionenstrom-Chromatogramm (TICC) von Dieselkraftstoff mittels GCxGC/TOFMS; Auftrennung nach Siedepunkt (Abszisse) und Polarität (Ordinate)

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre JMS-T200GC AccuTOF GCx, Seite 4

Die Verknüpfung von lichtmikroskopischen Signalen und elektronenoptischen Details erlaubt unter anderem Rückschlüsse auf die genaue Lokalisation von Proteinen in bestimmten Teilen von Geweben. Zur Kombination zwischen Fluoreszenz-  und höchstauflösender Elektronenmikroskopie stellt JEOL intuitive, systemübergreifende Komplettlösungen her.

Dünnschnitt eines Zebrafisches: Korrelativ überlagerte elektronen- und fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Zentrum für regenerative Therapien, TU Dresden.

Petroleum als weitverbreiteter Brennstoff besteht aus einem Gemisch flüssiger Kohlenwasserstoffe. Diese molekularanalytisch zu erfassen ist mittels massenspektrometrischen Standardmethoden nur sehr schwer möglich. JEOL-Systeme können auf schnelle und unkomplizierte Art und Weise mittels weicher Ionisierung das Molekulargewicht ohne Fragmentierung bestimmen.

Massenspektren von n-Alkan, aufgenommen mit Feldionisation (oben) und EIektronenstoßionisation (unten)

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre T200GC-Petroleum_and_Petrochemical_Solutions

Die Farben eines Schmetterlingsflügels entstehen durch Pigment- oder Strukturfarben. Die Präparation eines Querschnittes durch die feingliedrige Flügeloberfläche ist mechanisch unmöglich. Mit den JEOL Präparationssystemen und Rasterelektronenmikroskopen können selbst fragile, organische Strukturen zugänglich und sichtbar gemacht werden.

Abbildung eines Querschnittes durch einen Schmetterlingsflügel (Morpho)

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre Cross Section Polisher