Fluoreszenz-Mikroskopie – mit Licht die Geheimnisse der Natur erforschen

Blütenstängel des Salomonssiegels im Querschnitt
Grün markiert erscheint die äußere Schutzschicht des Stängels, hellblau vor allem die Wasser- und Nährstoff-transportierenden Leitbündel.
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Von Fluoreszenz redet man, wenn ein Stoff nach Anregung durch Licht seinerseits wieder Licht einer anderen Farbe abgibt. In den vergangenen Jahrzehnten ist es gelungen, dieses Phänomen zur Markierung sehr vieler verschiedener biologisch-biochemischer Strukturen zu nutzen. Auf diese Weise hat sich Fluoreszenz zu einem universalen Analysewerkzeug in der biologischen bzw. biochemischen Forschung entwickelt. In diesem Versuch entdecken Schülerinnen und Schüler die Anwendungen speziell bei der Aufklärung biologischer Strukturen.

Da Pflanzen einfach zu beschaffen und präparieren sind und eine Vielzahl verschiedener Strukturen enthalten, eignen sie sich für diesen Versuch besonders gut. Je nach Jahreszeit starten die Schülerinnen und Schüler mit unterschiedlichem Material – also z. B. mit Sprossen, Blättern oder Blüten – und erproben verschiedene Präparations- und Färbemethode. Da viele Pflanzen von Natur aus fluoreszierende Substanzen in bestimmten Bereichen ihrer Gewebe ablagern, kann schon eine Aufnahme ohne künstliche Fluoreszenzfarbstoffe interessante Ergebnisse liefern. Beim abgebildeten Beispiel des ungefärbten Querschnitts durch einen Blütenstängel des Salomonssiegels lassen sich sehr gut die äußere Schutzschicht des Stängels (grün gefärbt) sowie ein Ring aus Festigungsgewebe und Leitungsbahnen (hellblau gefärbt) erkennen.

Tierische Zellen aus einer Zellkultur
Die Zellkerne sind bei dieser Aufnahme blau markiert, die Zellmembran grün und das Cytoskelett rot.
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Alternativ lassen sich zur Untersuchung der natürlichen Farbstoffausstattung der Pflanze spezielle Strukturen der Pflanze durch künstliche Fluoreszenzfarbstoffe markieren und sichtbar machen. Als Beispiel verwenden die Schülerinnen und Schüler Safranin, das insbesondere verholzte Zellwände markiert und nach Anregung durch grünes Licht grünlich bis rötlich fluoresziert.
Im Gegensatz zu pflanzlichen Geweben enthalten tierische Gewebe nur selten fluoreszierende Stoffe. Tierische Gewebe müssen für die Fluoreszenz-Mikroskopie also gefärbt werden. Im abgebildeten Beispiel von Zellen aus einer Zellkultur sorgen die eingesetzten Farbstoffe für eine Blaufärbung der Zellkerne, eine Rotfärbung des Aktin-Zellskeletts und eine Grünfärbung der Zellmembran.