Project

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Super Resolution Microscopy of the Cilium in Live Cells

Applicant Erdmann Roman
Number 146780
Funding scheme Fellowships for prospective researchers
Research institution
Institution of higher education Institution abroad - IACH
Main discipline Organic Chemistry
Start/End 01.01.2013 - 31.12.2013
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All Disciplines (2)

Discipline
Organic Chemistry
Cellular Biology, Cytology

Keywords (8)

membrane; nanoscopy; STED; click chemistry; cilium; lipids; dyes; fluoresence

Lay Summary (German)

Lead
Zur Erforschung von Vorgängen innerhalb einer biologischen Zelle wurden bisher Licht- und Elektronenmikroskopie verwendet. Diese erlauben entweder Prozesse in lebenden Zellen bis zu einer Auflösung von 200 nm zu untersuchen oder statische Aufnahmen von toten Zellen mit höherer Auflösung. Die Entwicklung diverser Nanoskopiemethoden ermöglicht Aufnahmen mit einer hohen Auflösung in lebenden Zellen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Projekts

Aufgrund mangelnder Kontrastmittel für Membrane in Nanoskopie ist es jedoch sehr schwierig Zellmembrane und die Membrane um die Kompartemente innerhalb einer Zelle zu visualisieren. Dies ist jedoch sehr wünschenswert, da die Kompartementalisierung der Zelle deren hoch effizientes Funktionieren erst ermöglichet. In diesem Projekt wird ein neues Kontrastmittel für Membrane entwickelt um diese mittels Nanoskopie zu visualisieren. Dazu sollen Fettmoleküle mit einem Farbstoff markiert werden. Diese Fettmoleküle sind in Membranen eine Million mal häufiger als die bisher üblich verwendeten Eiweisse. Dies erlaubt eine bessere Visualisierung. Ausserdem sind unterschiedliche Membranen aus unterschiedlichen Fetten zusammengesetzt, was die selektive Visualisierung einer bestimmten Membran ermöglichen sollte. Desweiteren soll das neue Kontrastmittel so gestaltet werden, dass der kontrastgebende Farbstoff erst aktiviert wird, wenn sich dieser mit demnFettmolekülen in der Membran verbindet. Dies hat den Vorteil, dass bei der Visualisierung nur die Membran detektiert wird und dabei Hintergrundrauschen von ungebundenem, nicht aktiviertem Farbstoff reduziert wird. Dieses neuentwickelte Kontrastmittel soll dann zur Visualisierung von „Cilia“ eingesetzt werden. Cilia sind kaum untersuchte Ausstülpungen der Zellmembran die wichtige sensorische und nachrichtenübermittelnde Aufgaben übernehmen. So spielen Cilia beispielsweise eine entscheidende Rolle im Sehprozess und deren Fehlfunktionkann zu Blindheit führen.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Falls gezeigt werden kann, dass das neuartige Kontrastmittel funktioniert, hat es das Potential viele bisher nicht untersuchbare Prozesse in der Zellbiologie zu studieren. Deshalb könnte es die Grundlage für viele neue Entdeckungen in der Zellbiologie zu werden. Die dabei entdeckten Mechanismen könnten Angriffspunkte für neue Medikamente gegen bisher unbehandelbare Krankheiten liefern.

Direct link to Lay Summary Last update: 10.12.2012

Responsible applicant and co-applicants

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Annual Meeting of the American Society for Cell Biology 2013 Poster 14.12.2013 New Orleans, LA, United States of America Erdmann Roman;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
153451 Exploration of emerging magnetoelectric coupling effects in new materials 01.07.2015 Project funding (Div. I-III)
151261 Novel Highly Fluorogenic Dyes for Super Resolution Imaging 01.02.2014 Advanced Postdoc.Mobility

Abstract

Super resolution microscopy or “nanoscopy” allows much higher resolution than conventional fluorescence microscopy. It effectively closes the missing gap between light and electron microscopy and enables high resolution live cell imaging. However, a major challenge of nanosocopy is the requirement for high density labeling of objects so as to obtain high quality images and infer where proteins are localized. Super resolution imaging of membranes using labeled proteins is very difficult as many proteins are only sparsely labelled in the membrane. What is badly needed to advance this new and burgeoning field are novel lipid dye contrast agents designed for super-resolution imaging.The goal of the proposed research is the development of a lipid probe that allows for high density labeling of membranes to enable super resolution microscopy, and address critical questions about cellular ultrastructural dynamics and protein localization. To achieve this aim a novel bipartite probe is proposed. It consists of a ceramide lipid component which targets the membranes within live cells and will be coupled to a fluorogenic dye using click chemistry. The developed probe will be tested on the ciliary membrane as an important proof-of-principle study to demonstrate that these probes can label membranes in a high density to visualize them using super resolution microscopy. In the future this will allow new studies of membrane domains and barriers in the cilium.These studies are important as they will allow for super-resolution membrane contrast agents that will open investigations of many enigmatic organelles, such as the primary cilium, to probe how they function.
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