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Abstand der Ist- zur Sollposition [ µ m]

Im Dokument Zellkern Nukleolus Nukleolus (Seite 87-92)

Abbildung 5.3: Die Genauigkeit und

Stabi-litatderPositionierungdesFokusinder

Pro-be, gemessen mit den scannereigenen

kapazi-tiven Sensoren. Die Stabilitat des Fokus bei

einer Position (statisch)und die angefahrene

Position nach einem Sprung um 10m

(ge-sprungen)



uber zahlreiche

aufeinanderfolgen-de Messungen zeigen Oset und Gau'sche

Verbreiterung.

gemessen. Auch jetzt ist die gemessene Position Gau-verteilt mit einer

Standardabwei-chungvon22nmundeinemOsetvon{2,6nm(Abb.5.3). DerOsetvariiertvon

Messsit-zungzu Messsitzung um bis zu 5nmundentsteht durch denKalibrierungsalgorithmus

beimProgrammstart.

Eine Standardabweichung von 22nm gehort zu einer optischen Winkelungenauigkeit

von 24rad. Dies entspricht den Herstellerangaben von 12rad (mechanisch, Tab. 4.1),

diePositionierungenauigkeitgeht also inersterLinie aufdie Scannerzuruck.

5.2.4 Auosung und Transmissionsprol

Um denEinuss desScanners auf das transmittierte Licht unddas Fokusvolumen zu

be-stimmen,wurdedasFCS-ModulohneScanningeinheitandasMikroskopangeschlossenund

dieJustageuberpr uft.AneineAutokorrelationsmessungeinerAlexa488-Losung(9nM)bei

einer Zahlrate von 76,64,2kHz konnte die Modellfunktion, Gl. (4.3), miteiner Spezies

der Diusionszeit 42,60,9s und einem Strukturfaktor von 4,2 angepasst werden.

An-schlieend wurde die Scanningeinheit eingefugt, die gesamte Justage durchgefuhrt und

beigleicherLaserleistung inder gleichenProbe erneuteine Autokorrelationsfunktion

auf-genommen. Die Zahlrate betrug jetzt 49,32,9kHz und die Diusionszeit bei gleichem

Strukturfaktor 35,60,9s. Durch die Scanningeinheit verringert sich also das

Fluores-zenzsignalumetwaein Drittel,unddasAuosungsvermogenwird nicht verschlechtert.

Abb. 5.4 zeigt die Autokorrelation einer Alexa488-Losung (20nM), gemessen mit der

Scanningeinheit auf der optischen Achse mit den Objektkoordinaten (0; 0). Es kann die

Modellfunktion miteiner Speziesund einem Triplettzustand angepasst werden kann. Die

systematischeAbweichung imBereichum0,1{1msist bereits inFCS-Messungenohnedie

Scanningeinheit beobachtet worden [152 ] und kann mit einer zweiten Komponente mit

einem Anteil von ca. 2% und einer Diusionszeit um 0,3ms beschrieben werden. Sie ist

wahrscheinlich auf Abweichungen des Fokusvolumens von der dreidimensionalen

Gau-funktionzuruckzufuhren[125 ](Abb.3.2).GemitteltausmehrerenMessungenergebensich

eine Diusionszeit

di

=35,60,6s und ein Strukturfaktor =4,170,14. Aus

verglei-chendenFCS-Messungen von FluoresceinundAlexa488 sowie demDiusionskoeÆzienten

von Fluorescein inWasser D

0

=(2,600,26)10 10

m 2

/s[149]ergibtsich ein

Diusionsko-eÆzient von Alexa488 in Wasser D

0

=(2,090,21)10 10

m 2

/s. Mit Gl.(3.14) und (3.33)

konnen dann der laterale und der axiale Radius sowie das Volumen des Fokus berechnet

0.0 0.1 0.2

G( τ )

0.001 0.01 0.1 1 10

-0.004 0.000 0.004

R esi due n

τ [ms]

Abbildung 5.4: Autokorrelation

einer Alexa488-Probe, gemessen

auf der optischen Achse (dick)

und die angepasste

Modellfunkti-on (dunn) sowie die zugehorigen

Residuen (unten). Aus der

An-passung ergebensichfolgende

Pa-rameter:

trip

=0; 13 0; 02,

trip

=5 2s,

N =4; 8 0; 1,

di

=352s,

=4; 3.

und mit den theoretisch erwarteten Werten aus Gl. (3.12) und (3.14) verglichen werden

(Tab.5.2).Danachist derFokusexperimentellbestimmtetwasgroeralsmitdemAnsatz

der korrigierten



Uberbeleuchtung vorhergesagt. Die theoretischen Werte liegen allerdings

innerhalb der jeweiligen Standardabweichung, und das gemessene Achsenverhaltnis bzw.

derStrukturfaktor stimmt mitderVorhersage uberein.

Groe in experimentell theoretisch

w

0

=2 p

D

0

di

nm 17210 164

z

0

=w

0

nm 71747 685

V

focus

= 4

3 w

2

0 z

0

al 8912 77

Tabelle 5.2: Experimentell bestimmte und theoretisch erwartete geometrische Parameter

des Fokusvolumens.

DieScanningeinheiterlaubtdiePositionierungdesFokusimObjektauchauerhalbder

optischenAchse. DadieScanlinsenichtintelezentrischerGeometriezuverwendenist und

auch moderne Mikroskope nicht frei von optischenFehlern derKomponenten und

Abwei-chungenvomidealenStrahlengangsind,kann dieAuslenkungdesFokus ausderoptischen

Achse dieGroe des Fokus beeinussenundzu weiteren Verlusten desdetektierten

Fluo-reszenzsignalsfuhren.Die Abhangigkeit deslateralenFokusradiusvon der Positioninder

Probe 10muberdem Deckglas zeigt Abb. 5.5a:An dendargestellten Positionenwurde

dieKorrelationderAlexa488-ProbegemessenundmiteinerKomponenteundeinem

Struk-turfaktorvon4,2angepasst.Darauskonntew

0

berechnetwerden.DieStandardabweichung

jeder Messung betragt 10nm, so dass



ubereinen groen Bereich die Schwankungendiese

Grenze nicht



uberschreiten. Allerdings zeigt das Prol einen signikant asymmetrischen

Verlaufinx-Richtung, was auf diebezuglicheinerAuslenkung inx unsymmetrischeLage

desStrahlteilersim Mikroskop zuruckgefuhrtwerdenkann (Abb. 4.1).

Abb.5.5bstelltdas zugehorigeFluoreszenzsignaldar: Esistein deutlicher

radialsym-metrischerAbfallzuerkennen,jedochfalltdasSignalinnerhalbeinesRadiusvonca.35m

nicht unter80%des Maximums von etwa 95.

PositioniertmandenLaseranverschiedenenPunktenaufderoptischenAchseund

wie--40 -20 0 20 40 -40

-20 0 20

40 160

170 180

190 200

y [ µ m]

w 0 [nm]

x [ µ m]

(a)

-40 -20

0 20

40

-40 -20

0 20

40

0 20 40 60 80 100

Intensit ät [w. E.]

y [ µ m]

x [ µ m]

(b)

Abbildung5.5:LateralesProl(a)derFokusgroeund(b)desFluoreszenzsignals,bestimmt

mit ortsaufgelosten Autokorrelationsmessungen in einer Alexa488-Probe 10m



uber dem

-1 0 1 2 3 4 0 40 80 120

(b)

F lu o reszen zin ten sit ät [ w . E. ]

z [ µ m]

-1 0 1 2 3 4

40 80 120 (a)

τ dif f [ µ s]

z [ µ m]

Abbildung 5.6: Axiales Prol von (a) Diusionszeit und (b) Fluoreszenzsignal, bestimmt

mit ortsaufgelosten Autokorrelationsmessungen in einerAlexa488-Probeauf der optischen

Achse. DieNull entsprichtderPosition desDeckglases,die allerdingsnurauf etwa0,5m

genau bestimmt werden konnte.

Die Diusionszeit steigt an, und das Fluoreszenzsignal fallt ab. Insbesondere der nur

geringe Einuss auf die Diusionszeit erlaubt FCS-Messungen in adherent wachsenden

Zellennaheder Glasoberache.

Damit erweistsich FCS als geeignete Methode, dasFokusvolumen zu vermessen bzw.

denVerlaufderDetektionswahrscheinlichkeitzubestimmen.Diesistinsbesonderenutzlich

furdieAnwendungvon Dekonvolutionsverfahren aufkonfokaleBilder.

Intrazellulare Diusionsmessungen

Die Experimentezur Beweglichkeit konzentrierensich auf denEinuss,den intrazellulare

Strukturen auf die Mobilitat von inerten Molekulen verschiedener Groe besitzen. Die

ausfuhrlicheren Untersuchungen an EGFP- und EGFP--Galactosidase-exprimierenden

undanmitAlexa568inkubiertenZellenwurdenvorderFertigstellungderScanningeinheit

mit dem Schrittmotor-getriebenen Probentisch durchgefuhrt. Die Mobilitat der

Dextra-ne und desDsRed konnten bereits mitkombinierter konfokaler Mikroskopie und

ortsauf-gelosterFCSuntersucht werdenunderfordernnochweitereExperimente.Daranschlossen

sich erste Experimente miteinem funktionellen Protein an: Am Beispieldes

Transkripti-onsterminationsfaktorsTTF-Iwurde BindungundBeweglichkeit in vivo untersucht.

6.1 Beweglichkeit inerter Molekule im Zellkern

UmdenEinussderdreidimensionalenStrukturinderZelleundinsbesonderedes

Chroma-tinsimZellkernaufdieBeweglichkeitvonMolekulenverschiedenerGroenuntersuchenzu

konnen, benotigt man inerte Molekule,die keinerlei Bindungen eingehen. Daruberhinaus

solltensiekeine toxische Wirkung zeigenundsoindie Zelleneingebracht werden konnen,

dassderenLebensfahigkeit moglichstwenigbeeinusstwird.IndiesenExperimenten

wur-denentwederZelllinienverwendet,dieautouoreszente Proteineexprimieren,oderes

wur-den synthetische Molekule durch moglichst schonende Inkubation oder Mikroinjektionin

dieZellengebracht.

6.1.1 EGFP und EGFP--Galactosidase in COS-7- und AT-1-Zellen

Material und Methoden

AT-1 isteine etablierte Zelllinie,die einemProstatakarzinom vonRatten entstammt, und

COS-7-Zellen sindauf SV40-transformierte Aennierenzellen zuruckzufuhren. Zellen

bei-der Linien wurden von G. Muller undW. Waldeck (Abt. Biophysik der Makromolekule,

DeutschesKrebsforschungszentrum,Heidelberg)mitVektorenentwederfurEGFP(27kDa,

Clontech, Heidelberg) oder fur das EGFP--Galactosidase-Fusionsprotein (EGFP--gal,

81kDa, Abb. 6.1) durch Fusion der Zellmembran mit Liposomen (Lipofectamin)

trans-ziert. Die Inkubation derZellen erfolgteunter 5%iger CO

2

-Atmosphare bei37 Æ

C in

phe-nolrotfreiemRPMI-Medium(LifeTechnologies,Karlsruhe)mit10%fotalemKalberserum.

VorFCS-Messungen wurdendie Zellen inmitKunststokammern beklebtenDeckglasern

Kan r /

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