Am Montag, den 29.01.2024, und Dienstag, den 30.01.2024, besuchten wir, die Biologie Leistungskurse der E-Phase von Frau Mertens und Frau Grubbe, das Max-Planck-Institut für Biophysik auf dem Campus Riedberg der Goethe-Universität in Frankfurt.
Nach unserer Anreise wurden wir herzlichst von Frau Dr. Käfer, der Beauftragten für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit des Instituts für Biophysik, empfangen. Zu Beginn hat sie uns Einiges zum Max-Planck-Institut im Allgemeinen erzählt. Das Institut wurde im Jahr 1921 gegründet, gehört seit der Gründung 1948 zur Max-Planck-Gesellschaft und betreibt seitdem Grundlagenforschung in Biophysik. Dies bedeutet, dass man Vorgänge und Strukturen des Körpers und von anderen Organismen erforscht, die zwar nicht gänzlich unbekannt sind, über die man allerdings noch keine genaue Auskunft geben kann. Die Forschung erfolgt in vier Abteilungen mit unterschiedlichen Schwerpunkten, die sehr eng miteinander zusammenarbeiten müssen, um gute Ergebnisse zu erzielen. Wir erhielten einen Einblick in die Abteilung ,,Strukturbiologie‘‘, passend zu unseren Themen ,,Struktur und Funktion von Zellen und Zellbestandteilen‘‘ der Einführungs-Phase (E1).
Dazu hielt Frau Dr. Dietrich, eine Mitarbeiterin des Instituts, die dort promoviert hat, einen Vortrag über Mitochondrien, deren Aufbau und Funktion. Die Mitochondrien bilden die ,Kraftwerke’ einer Zelle. Sie wandeln also Energie, die wir über die Nahrung aufnehmen, in eine andere, für den Körper brauchbare Energieform um – ATP. Frau Dr. Dietrich forschte während ihrer Doktorarbeit an dem Aufbau von Mitochondrien, genauer an dem Aufbau und der Lage des Proteinkomplexes ATP-Synthase in der inneren Mitochondrienmembran. Um diese Proteine genauer erforschen zu können, müssen speziell aufbereitete Proben unter einem (Kryo-)Transmissionselektronenmikroskop untersucht werden. Dabei ist die Technik der Aufbereitung besonders arbeits- und zeitaufwendig. Anhand einiger Mikroskop-Aufnahmen zeigte sie uns ausgewählte Ergebnisse ihrer Forschung.
In einer kurzen Pause hatten wir die Möglichkeit, persönlich mit den Vortragenden in den Austausch zu kommen, Fragen zu stellen und uns mit den zur Verfügung gestellten Snacks und Getränken zu stärken.
Herr Fiedler, Doktorand am Institut, hielt anschließend einen Vortrag über Autophagie. Dies bedeutet so viel wie die (Selbst-)Verdauung einer Zelle, bei der nicht mehr brauchbare Stoffe, zum Beispiel makromolekulare Komplexe, innerhalb einer Zelle verdaut werden. Über diesen Vorgang wissen Forscher heute immer noch relativ wenig, weshalb sich die Arbeitsgruppe ,,Mechanismen zellulärer Qualitätskontrolle‘‘, in welcher auch Herr Fiedler arbeitet, schon länger intensiv damit beschäftigt. Außerordentlich interessant sei die Autophagie, da die Zelle dadurch eine enorme Recyclingleistung in Hungerphasen erbringen könne. Daher sei Fasten tendenziell empfehlenswert. Da die Komplexe, die nicht abgebaut werden, zudem zu Krankheiten führen können, sei es wichtig, mehr über die Autophagie zu erfahren, um passende Behandlungsmethoden entwickeln zu können.
Anschließend führte uns Herr Fiedler durch die Labore, in denen er mit weiteren Doktorand*innen und Mitarbeiter*innen forscht. Dort lernten wir, dass man in der Forschung häufig Hefekulturen nutzt, da man diese leicht erhalten und aufgrund der geringeren Komplexität leicht manipulieren könne. Zudem ähneln die Einzeller im Grundaufbau den Zellen von Mäusen und Menschen, weshalb sich Erkenntnisse gut übertragen ließen. Es war sehr spannend zu sehen, welche Methoden angewendet werden und welche Mikroskope und anderen professionellen Geräte es in einem richtigen Labor gibt.
Der letzte Halt unseres Besuchs war die Elektronenmikroskopie. Im Max-Planck-Institut gibt es dafür eine eigene Abteilung, die von Frau Dr. Welsch geleitet wird. Das Lichtmikroskop funktioniert auf der Grundlage einer Lichtquelle und verschiedenen Linsen, die das Licht gezielt brechen und das Untersuchungsobjekt vergrößern, wodurch man auch problemlos lebendige Zellen beobachten kann. Man erkennt damit allerdings nicht, wie der intrazelluläre Bereich einer Zelle aussieht. Wenn man das untersuchen möchte, braucht man ein Elektronenmikroskop. Es gibt verschiedene Arten der Elektronenmikroskopie.
Man zeigte uns zunächst einmal das Rasterelektronenmikroskop (REM). Bevor ein Präparat nutzbar ist, muss es aufbereitet werden. Wenn man beispielsweise die Struktur eines Proteins betrachten möchte, muss man dieses Protein zuerst durch verschiedene Verfahren reinigen. Über das Präparat wird dann im REM ein Elektronenstrahl in einem bestimmten Muster geführt (gerastert). Die Elektronen wechselwirken mit den Atomen des Präparats, woraus dann ein Bild der Oberfläche erzeugt werden kann. Da der feine Elektronenstrahl nicht das ganze Präparat trifft, werden alle Bilder, die während des Mikroskopier-Vorgangs gemacht werden, von einer KI zusammengefügt. Durch dieses aufwendige Verfahren kann man feinste Strukturen gut erkennbar machen.
Mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) durchstrahlt man dagegen das Präparat. Die Aufnahmen mit diesem Mikroskop sind stärker vergrößert. Zuletzt zeigte man uns ein solches besonders leistungsfähiges TEM, das man auch auf dem Bild sehen kann. Es steht auf einem separat eingebetteten Betonsockel, damit auch feinste Erschütterungen den Forschungsprozess nicht stören. Mit dem abgebildeten TEM können sogar Kryo-Proben untersucht werden. Die Präparate werden dazu zunächst sehr schnell mit flüssigem Ethan eingefroren, damit sich die räumliche Struktur des Präparats nicht verändert. Sie haben dann eine Temperatur von etwa -150 Grad Celsius. Anschließend werden sie wieder mit Elektronenstrahlen aus unterschiedlichen Winkeln beschossen. Aufgrund der vielen Linsen und enormer Rechnerleistungen sind die Bilder besonders hoch aufgelöst.
Damit hat unser Besuch geendet. Es war für uns alle eine einzigartige Gelegenheit, zu sehen, wie man richtig forscht. Wir konnten uns vor dem Besuch gar nicht vorstellen, wie komplex die Forschung ist. Wir haben uns gefragt, wie man überhaupt zu Ergebnissen kommt und welche Methodiken angewandt werden. Doch mit Hilfe der Vorträge und der Führungen haben wir nun ein viel größeres Verständnis dafür und wir können uns die im Unterricht erlernten Dinge viel bildlicher vorstellen. Es war zudem eine gute Möglichkeit, herauszufinden, ob wir selbst später einmal an selber Stelle stehen und beispielsweise als Doktorand*in forschen möchten.
Wir, die Schüler:innen der Biologie Leistungskurse, möchten den Vortragenden, und vor allem Frau Dr. Käfer, die einen reibungslosen Ablauf und sehr spannende Einblicke ermöglicht hat, herzlich danken. Zudem gilt auch unseren Lehrerinnen Frau Mertens und Frau Grubbe ein Dankeschön für die Organisation.
Fabienne Friedrich, Biologie Leistungskurs der Einführungsphase