Bilfinger Berger Magazin 2/2009

JAN SCHMORANZER TAUCHT MIT MODERNEN MIKROSKOPEN HINAB ZU DEN BAUSTEINEN MENSCHLICHER ZELLEN UND HILFT SO, NEUE DIAGNOSEVERFAHREN ZU ENTWICKELN.

In einem Labor an der Berliner Charité nimmt Jan Schmoranzer, 39, einen Plastikschuber mit 96 Fächern aus einem Schrank: „Darin sind Krebszellen“, sagt er und legt den Schuber in einen schwarzen Behälter unter das Objektiv seines Mikroskops. Es ist das Lichtmikroskop „BD Pathway 855“, eines der modernsten Geräte auf dem Markt, das nur noch wenig gemein hat mit den Tischmikroskopen, die wir aus der Schulzeit kennen. Auf Knopfdruck schwenkt ein kleiner Roboterarm an der Linse vorbei, ergreift den Behälter mit den Zellen und justiert ihn. Weiter rechts thront ein großer Computerbildschirm, auf dem die Nahaufnahmen der Zellkultur erscheinen.

„Die Zellen stammen von einer Frau, die 1951 in Baltimore an Gebärmutterhalskrebs starb“, sagt der Wissenschaftler. Sie begründeten eine Zell-Linie, die gezüchtet und von Labor zu Labor weltweit weitergegeben wurde – bis heute. Forscher benutzen sie seit Jahrzehnten für eine Vielzahl von Experimenten – auch in der Berliner Charité, einer der größten Universitätskliniken Europas, wo der Physiker Schmoranzer als Leiter der Mikroskopie-Abteilung arbeitet.

Schmoranzer ist Experte für die Mikroskopie von Zellproben und gehört damit zu einer Handvoll junger Wissenschaftler, die weltweit gefragt sind. Denn die moderne Medizin verlässt sich bei ihrer Forschung immer stärker auf bildgebende Verfahren. Mit ihnen gelingt es, tief in das Innere von Zellen zu blicken. Die Nahsicht liefert wertvolle Erkenntnisse über die Zellchemie: Wer die Stoffwechselabläufe in den Zellen besser versteht, weiß im Idealfall, was bei einer Krankheit im Körper falsch läuft und kann so gezielt Medikamente entwickeln.

Die modernen Mikroskope jedoch kann längst nicht mehr jeder bedienen. Zu komplex ist ihre Funktionsweise, zu vielfältig sind ihre Anwendungsmöglichkeiten. Und so hat sich in den vergangenen Jahren ein neuer Berufsstand entwickelt, der in den Laboren der Welt dringend gesucht wird: der Bioimaging-Experte. „Viele Institute oder große Labore richten gerade eigene Abteilungen ein, mit Experten wie mir“, sagt Schmoranzer. Die Charité Berlin warb Schmoranzer aus New York ab, wo er 13 Jahre für die Rockefeller- und die Columbia-Universität arbeitete.

Per Joystick rückt er das Lichtmikroskop „BD Pathway 855“ ein wenig nach rechts. Vom Objektiv werden die Bilder zu einer Digitalkamera geschickt und von dort auf den Computerbildschirm übertragen. Mit dem 350 000 Euro teuren Mikroskop kann der Wissenschaftler den Zellen auf bis zu 200 Nanometer auf die Pelle rücken und so die kleinsten Zellbestandteile unglaublich vergrößert sichtbar machen. Ein wirklicher Mikrokosmos, den Schmoranzer da bearbeitet. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines menschlichen Haars ist mit 7500 Nanometern 350 Mal größer als manche der Zellbestandteile, die Schmoranzer sichtbar macht.

Plötzlich erscheinen auf dem Bildschirm weiße Punkte in einem grauen, unförmigen Gebilde. „Wir sind im Zellkern“, erklärt Schmoranzer, „der Grauschleier um die Punkte herum ist der restliche Zellraum.“ Weist eine Zelle weiße Punkte auf, ist sie krank; gesunde Zellen tragen in sich graue, unscharfe Punkte. Warum, ist noch nicht genau erforscht. Doch auch die ersten vagen Erkenntnisse helfen schon weiter.

KAMPF GEGEN LEUKÄMIE
Schmoranzer und seine Kollegen von der Charité sind dem Blutkrebs auf der Spur. Und der „Pathway“ soll dabei helfen, indem er mit ausgeklügelter Technik Massenexperimente durchführt: Tausende kranker weißer Blutzellen werden mit verschiedenen Chemikalien versetzt und unter das Mikroskop geschoben. Der Computer soll nun automatisch gesunde Blutzellen von kranken unterscheiden und so die mühsame Suche nach neuen Wirkstoffen erleichtern. „Wir wollen eine Lösung finden, die kranke Zellen gentechnisch verändert und wieder gesund programmiert oder die sie abtötet“, sagt der Physiker. Für die automatische Bilderkennung schreibt er gerade eine Software – und übt mit den Krebszellen aus Baltimore.

Jetzt will Schmoranzer noch näher heran. Er schraubt das Objektiv mit der 20-fachen Vergrößerung ab und ersetzt es durch eine Linse mit 40-facher Vergrößerung. Den Rest übernimmt die Digitalkamera. „Sie hat nur 1,4 Megapixel, aber ihre Pixel sind viel kleiner und lichtempfindlicher als bei herkömmlichen Kameras“, sagt Schmoranzer. Dadurch werden selbst kleinste Strukturen sichtbar.

Damit allein ist dem Forscher jedoch nicht geholfen. Die Zellen erscheinen bei dieser Hochauflösung so unendlich groß, dass man den genauen Ausschnitt treffen muss, den man anschauen will. Um den zu finden, nutzt Schmoranzer eine komplexe Technik: Der „Pathway“ ist ein sogenanntes Fluoreszenz-Mikroskop. Mit Hilfe molekular-biologischer Methoden kann man mit ihm ganz bestimmte Teile der Zelle zum Leuchten bringen.

Bei den Krebszellen in seinem „Pathway“ will Schmoranzer sich an ein Protein im Zellkern herantasten. Um es sichtbar zu machen, greift der Forscher in die Trickkiste des Tierreichs, genauer: in die einer Qualle. Denn diese besitzt ein besonderes Eiweiß, das bei bestimmtem Lichteinfall grün aufleuchtet. Mit Hilfe von speziellen Enzymen kann man die DNA-Stränge für beide Moleküle miteinander kombinieren – und so dafür sorgen, dass die Zelle nun statt des normalen Proteins ein Doppel-Eiweiß produziert, das grün wird, wenn man es anstrahlt. Und nun kommt Schmoranzers ganz spezielle Fachkenntnis ins Spiel: Er bastelt mit den zahlreichen verschiedenen Filtern und Lichtquellen des Mikroskops eine ausgeklügelte Beleuchtung, die das Protein im richtigen Winkel und mit der richtigen Wellenlänge anstrahlt. Erst durch seine Arbeit also beginnt das Protein zu fluoreszieren – und wird so für den Betrachter sichtbar.

DIE SCHÖNHEIT DER ZELLEN
Er muss sich beeilen, es ist seine letzte Arbeitswoche, denn er wechselt zur Freien Universität in Berlin (FU). Hier wird er ein Mikroskop aufbauen, das sich bis auf 20 Nanometer an die Zellproben herantasten kann, also noch zehn Mal stärker ist als das Gerät der Charité. Bisher gibt es nur sehr wenige so hochauflösende Mikroskope. Die meisten stehen in den USA, wo auch Schmoranzer zum ersten Mal mit ihnen in Kontakt kam: bei einem Praktikum an der New Yorker Rockefeller-Universität, das er nach seinem Physikstudium in Aachen absolvierte. Als er zum ersten Mal durchs Okular blickte, war es um ihn geschehen.

„Jede Zelle ist individuell wie ein Mensch“, schwärmt er. „Ich sah in New York die Schönheit ihrer Anordnungen, erahnte die Tragweite ihres Wirkens für das Leben.“ Die Professoren überzeugte die Begeisterung des jungen Deutschen. Sie boten ihm an, bei ihnen zu promovieren. Thema: Die bildliche Hochauflösung des Transports von Eiweißen durch die Außenhaut der lebenden Zelle.

Für Schmoranzer lag die Spezialisierung nahe: Er ist ein begeisterter Fotograf. Mit 15 erhielt er vom Vater seine erste Spiegelreflexkamera, danach verbrachte er ungezählte Abende auf dem Balkon, um den perfekten Sonnenuntergang abzulichten. Später hatte Schmoranzer sogar eigene Foto-Ausstellungen. Auch für seine faszinierenden Zellfotografien hat der Forscher bereits Preise gewonnen.

GEHEIMNISSE DER ZELLWAND
Vielleicht wird ihm sein neuer Job an der FU Berlin weitere preiswürdige Bilder bescheren. „An der Berliner FU will ich noch näher heran an die Oberflächen von Zellen“, sagt Schmoranzer und zieht die Einweg-Handschuhe aus. Anders als in der Charité wird Schmoranzer hier keine Computerprogramme schreiben, sondern helfen, bislang kaum bekannte Mechanismen in der Zelle sichtbar zu machen. Die räumliche Verteilung und Wechselwirkung der Moleküle in der Außenmembran sollen besser erforscht werden. Jene chemischen Verbindungen also, die an den Außenwänden wie Schalter Aktionen der Zellen starten oder stoppen. Auch hier wird Schmoranzer mit Spiegeln, Linsen und optischen Fiberkabeln experimentieren, bis er die richtige Einstellung gefunden hat, um die Strukturen auf der Membran sichtbar zu machen. Gelingt dies, könnte man erfahren, wie an der Außenhaut der Zellen Befehle gegeben und umgesetzt werden. Am Ende könnte die Verfügungsgewalt des Menschen über die Zelle stehen.

Vorerst drückt Schmoranzer indes den Schalter für den Computer. Genug für heute. Die Zellen, die gerade eben noch handgroß auf dem Bildschirm flimmerten, verschwinden im Nichts. Plötzlich ist die Nähe wieder ganz fern.

(Text: Jan Rübel, Fotos: Paul Hahn, Jan Schmoranzer)
Bilfinger Berger Magazin 2/2009