Fluoreszenzmikroskopie am KFG

von: Markus Möhring, StD i.K.
Stellv. Schulleiter

Im MINT-Bereich möchte man es oft sehr genau wissen. In der Mathematik, der Informatik, den Natur­wissenschaften Biologie, Chemie und Physik, sowie in der Technik versucht man u.a. über das Verständnis der kleinsten Struktur- und Funktionseinheiten die Erscheinungen in der Natur zu erklä­ren. Das Kardinal-Frings-Gymnasium fördert in besonderem Maße diese sog. MINT-Fächer.

In der Biologie weiß man seit langem, dass alle Lebewesen aus Zellen bestehen, die mikrosko­pisch klein sind. Es ist kein Zufall, dass der Beginn der modernen Naturwissenschaften historisch erkenn­bar mit der Erfindung des Lichtmikroskops zusammenfällt. Zellen vermehren sich durch Tei­lung. Dabei geben sie ihre Merkmale an die Tochterzellen weiter. Sie setzen Energie um und stellen Produkte her. Wie diese Prozesse im Inneren der Zellen ablaufen ist erst mit Hilfe moderner bildgeben­der Instrumente aufgeklärt worden. Das Lichtmikroskop ist in Schulen zu einem unverzichtba­ren Hilfsmittel geworden. Die Fachschaften des KFG in der Physik, Chemie und Biologie verfügen über eine außergewöhnlich gute Ausstattung, die den Schüler/innen das selbständige Experi­mentieren und Forschen ermöglicht, so auch in der Mikroskopie.

Die Entwicklung ist dort aber nicht stehen geblieben. Inzwischen gibt es z.B. Elektronen­mikro­skope, Laser Scanning Mikroskope und Röntgenmikroskope. Der Göttinger Professor Dr. Stefan W. Hell erhielt 2014 fürdie sog. STED-Fluoreszenz-Mikroskopie den Chemie-Nobelpreis.

Im “Internationalen Jahr des Lichts” 2015 freut sich das KFG sehr, dass es seinen Schüler/innen ein Highlight der Mikroskopie präsentieren kann. Ein Unternehmer, der ein sog. Fluoreszenz­mikro­skop in der Forschung und Entwicklung eingesetzt hatte, gab das Mikroskop nach Ablauf der Nutzungsdauer für gemeinnützige Zwecke frei. Er suchte eine Schule, welche aufgrund ihrer bisheri­gen Aktivitäten hinreichend qualifiziert war, die Begeisterung für Naturwissenschaft und Technik mit Hilfe eines Fluoreszenzmikroskops zu wecken und weiter zu vertiefen. Die Wahl ist auf das KFG gefallen.

Mit der Firma Carl Zeiss Microscopy haben wir einen starken Kooperationspartner ge­wonnen, der uns externe Unterstützung bietet, um unsere Schüler/ in den naturwissenschaftlichen Fächern in Zukunft noch besser fördern zu können. Das KFG hofft, weitere externe Partner in Bonn und Umgebung gewinnen zu können, die uns in dieser Aufgabe unterstützen.

In diesem Schuljahr stehen wir mit dem Fluoreszenzmikroskop erst am Anfang. Zunächst möchten wir prüfen und aufzeigen, inwieweit der Einsatz im regulären Unterricht der Grund- und Leistungskurse möglich ist. Weiterhin soll das Mikroskop im Differen­zierungs­bereich der Mittelstufe eingesetzt werden. Durch den Einsatz des Fluoreszenzmikroskops können wir auf besondere Weise den Anforderungen in den neuen Kernlehrplänen gerecht werden. Diese sind heutzutage kompetenzorientiert, d.h. neben dem bekannten Erwerb und Umgang mit Fachwissen sollen den Schüler/innen u.a. auch die Wege des wissenschaftlichen Erkenntnisgewinns (beobachten, vergleichen, experimentieren ...) erschlossen werden. Die Abiturleistungen der Schüler/innen des KFG in Biologie sind deutlich über dem Landesdurchschnitt angesiedelt. In den letzten drei Jahren wurden neun Schüler/innen des KFG vom Landesverband Nordrhein-Westfalen im VBIO (Verband Biologie, Biowissenschaften und Biomedizin) mit dem Karl-von-Frisch-Preis für herausragende Schüler­leistungen im Fach Biologie ausgezeichnet.

Am 4.9.2015 haben sich der Schulleiter, Dr. Bernhard Hillen sowie als Vertreter des Schulträgers der Schulrat Alfred Schwanke bei Dr. Josten von der Firma Carl Zeiss Microscopy für die Koordination der Mikroskop-Spende und den geleisteten Support bedankt.

a) Das Mikroskop Axioskop 2 mot ist als universell einsetzbares Mikro­skop für Applikationen in der Biologie und in der Medizin unter anderem zur Untersuchung von Gewebeproben aus dem menschlichen Körper vorgesehen. Es kann als reines Durch­lichtmikroskop oder ausgestattet mit einer Auflicht-Fluoreszenz-Einrichtung als kombiniertes Durchlicht-/ Auflichtmikroskop eingesetzt werden. Es ist mit motorisierten Bedien- und Funktionsele­menten ausgestattet. Weiterhin besitzt es eine Kameraausstattung zur Direktmon­tage an einen Beamer sowie die AxioVision Software. Mit dieser digitalen Bildverarbeitungssoft­ware kann man alle Mikroskop-Einstellungen und Verarbeitungsschritte auf einer einzigen Benutzerober­fläche schnell und bequem einstellen. AxioVision erlaubt es, Bilder in verschiedenen Dimensionen darzustellen und zu präsentieren, z.B. als 3D-Bild. Mikroskop-Bilder werden als Z-Sta­pel aufgenommen; der dabei entstehende Bildstapel liefert wertvolle Informationen über die Beziehun­gen mikroskopischer Strukturen in axialer Richtung.

b) In der Fluoreszenzmikroskopie werden die Präparate mit speziellen Stoffen behandelt. Deren ein­zelne Moleküle sind in der Lage, Licht für eine sehr kurze Zeit aufzunehmen und dann wieder abzu­strahlen. Das abgestrahlte Licht hat aber eine etwas „in Richtung rot" verschobene Wellen­länge. Wird zum Beispiel blaues Licht absorbiert, so kommt es gleich darauf zur Emission von grü­nem Licht. Grün wird in Gelb umgewandelt, Gelb in Rot-orange und unsichtbares UV-Licht in sichtba­res Licht. Diese Verschiebung wird nach ihrem Entdecker als Stokes-Verschiebung bezeich­net.

Die Fluoreszenzmoleküle können nur Licht ganz bestimmter Wellenlänge absorbieren. Die verschiede­nen Fluorophore zeigen ‒ jede Sorte für sich ‒ ganz bestimmte Absorptionsspektren, die vom inneren Aufbau der Fluoreszenzmoleküle und manchmal auch von ihrer Umgebung abhängen. Auch wird nicht jedes Photon absorbiert, sondern nur ein Teil des bestrahlenden Lichtes. Die eingefange­nen Photonen werden auch nicht alle wieder abgestrahlt: Gute Fluoreszenzmarker haben eine hohe „Quantenausbeute", womit man das Verhältnis der abgestrahlten zu den eingefangenen Photonen beschreibt.

Für die Mikroskopie ist dieser Effekt sehr nützlich: Man beleuchtet eine derart markierte Probe mit reinem, gefilterten blauen Licht und beobachtet sie mit Hilfe eines Sperrfilters, das für blaues Licht völlig undurchlässig ist, aber langwelliges grünes, gelbes und rotes Licht durchlässt. Dann leuch­ten die mit Fluoreszenzmolekülen markierten Strukturen ‒ zum Beispiel Teile eines Zellske­letts ‒ grün vor schwarzem Hintergrund.

In den Anfangstagen der Mikrofluoreszenz wurden die Präparate meist unspezifisch mit Fluoreszenz­farbstoff angefärbt. Diese Art der Markierung sieht zumeist hell aus, weil viele Fluoreszenz­moleküle überall gebunden werden. Heute sind die Fluoreszenzmethoden aber viel spezifi­scher geworden. Dies wird vor allem dadurch erreicht, dass die Fluoreszenzmoleküle mit biologi­schen Substanzen wie zum Beispiel speziell designten Antikörpern fest gekoppelt werden. Dann bestimmt nicht mehr der „Farbstoff" die Bindungsstelle, sondern das biologische aktive Antikörper-Molekül. Dies führt in der Regel zwar zu schwächeren Fluoreszenzbildern im Mikroskop ‒ weil viel weniger „Farbstoff" gebunden wird. Die Aussagen ‒ zum Beispiel bei der Diagnose von Krankheiten ‒ werden aber viel genauer.

Werden Zellen mit solchen Fluoreszenzmarkern behandelt, so lagern diese sich an bestimmten Struktu­ren an. Bei der Beleuchtung mit Anregungslicht leuchten die Fluoreszenzmarker auf und machen diese Strukturen durch ihr Emissionslicht sichtbar. Mit Hilfe von Kooperationspartnern ist es uns gelungen, solche Präparate zu erhalten.

Markus Möhring, StD i.K.
Stellv. Schulleiter