Feinste Strukturen im Nanometerbereich können – schockgefroren bei minus 180 Grad Celsius durch verflüssigtes Ethangas – mithilfe der kryogenen Transmissions-Elektronenmikroskopie (Kryo-TEM) in fixierter wässriger Umgebung untersucht werden. Durch die Fixierung bleiben jene natürlichen Strukturen erhalten, die in Lösung ausgebildet werden. Klassische elektronenmikroskopische Präparationsverfahren erfordern die Trocknung der Proben, die jedoch die Struktur und die Umgebung der Moleküle verändern.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Forschungszentrum für Elektronenmikroskopie der Freien Universität Berlin verfügen über eine mehr als 25-jährige Expertise in der Kryo-TEM sowie in Bildverarbeitungs- und 3-D-Rekonstruktionstechniken mithilfe der Einzelpartikelmethode. Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft bewilligte Kryo-TEM verfügt über eine Reihe von neuen technischen Aspekten, die die Charakterisierung kontrastarmer und strahlenempfindlicher Proben bei hoher Auflösung ermöglicht. Einsatzschwerpunkt des neuen Gerätes ist die hochaufgelöste kryo-elektronenmikroskopische (insbesondere auch kryo-elektronentomographische) Charakterisierung von synthetischen supramolekularen Architekturen, synthetischen Polymeren sowie organischen und anorganischen Komposit-Nanomaterialien. Ferner werden auch (struktur-)biologische Fragestellungen bearbeitet, beispielsweise an Proteinen, Membranen, Zellkompartimenten sowie Viren oder Bakterien.

Insbesondere neue technische Entwicklungen für eine verbesserte kryo-tomographische Charakterisierung und zur Erhöhung des typischerweise geringen Kontrastes erweitern die instrumentellen Möglichkeiten für laufende Forschungsverbundprojekte, beispielsweise die der Sonderforschungsbereiche 765 „Multivalenz als chemisches Organisations- und Wirkprinzip“ und 958 „Einrüstung von Membranen“, sowie der geplanten Kooperationsvorhaben in der Biogrenzflächenforschung, etwa bei der Interaktion von Biogrenzflächen mit Pathogenen.

Das neue Kryo-TEM wird am Forschungszentrum für Elektronenmikroskopie im Verbund mit dem Gerätezentrum (Core Facility) BioSupraMol betrieben. Die Großgeräteplattform BioSupraMol wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft zwischen 2011 und 2015 finanziell gefördert. Die Aufgabe des Gerätezentrums ist es, Forscherinnen und Forscher der Freien Universität Berlin, Studierende und externe Wissenschaftler bei der Lösung komplexer analytischer Fragestellungen zu beraten und zu unterstützen.

Das Gerätezentrum BioSupraMol, einschließlich des Forschungszentrums für Elektronenmikroskopie, ist eng in die Arbeit der Focus Area „Nanoskalige Funktionsmaterialien“ (NanoScale) der Freien Universität eingebunden. Die Focus Area NanoScale bündelt als Forschungsplattform der Freien Universität Berlin seit 2008 die Untersuchung supramolekularer Interaktionen sowie von Bio- und Nanomaterialien.

Derzeit entsteht im Zentrum des naturwissenschaftlichen Campus der Freien Universität in Berlin-Dahlem ein neuer Forschungsbau, in dem vom Jahr 2020 an supramolekulare funktionale Architekturen an Biogrenzflächen untersucht werden sollen. In dem neuen Forschungsgebäude mit spezieller Infrastruktur und wissenschaftlichen Großgeräten werden hochspezialisierte Labore, Reinraumflächen und schwingungsarme Messräume entstehen.

Sowohl die Anschaffung des neuen Kryo-TEM als auch die Errichtung des neuen Gebäudes wird gemeinsam durch Bund und Land getragen gemäß dem neugefassten Artikel 91 b des Grundgesetzes. Nach diesem dürfen Bund und Länder in Fällen überregionaler Bedeutung in Wissenschaft und Forschung zusammenwirken. Für das neue Forschungsgebäude wurden im vergangenen Jahr Mittel in Gesamthöhe von 37,6 Millionen Euro bewilligt.

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3-D-Rekonstruktion eines Komplexes des viralen Fusionproteins Hämagglutinin des Influenzavirus mit kurzen Oligonukletid-Ketten (Aptamere). Die Struktur solcher Komplexe soll helfen, optimale Inhibitoren für eine Virusinfektion zu entwickeln. (Links) TEM-Aufnahme von Aggregaten des Komplexes („Rosetten“). (Mitte) Typische Klassensummenbilder nach Bildmittelung. (Rechts) Oberflächendarstellung der 3-D-Rekonstruktion des Komplexes. Quelle: Freie Universität Berlin.

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