“Bitte lächeln!” – Aber wie fotografiert man einen Virus?

Wenn die kleinsten Dinge plötzlich überlebensgroß sind, ist meistens Mikrofotografie im Spiel.

Nachdem in den letzten Wochen aufgrund der weltweiten Verbreitung des Coronavirus und den damit einhergehenden Eindämmungsmaßnahmen das öffentliche Leben quasi zum Stillstand gekommen ist, konzentriert sich der Blick allerorts momentan auf die Welt im Kleinsten. Ich nehme an, dass mittlerweile jede und jeder ein Bild von dem berüchtigten Coronavirus, dessen korrekter Name Sars-CoV-2 lautet, gesehen hat und mehr oder weniger Fakten darüber und die Lungenkrankheit Covid-19, die es auslöst, gelesen hat. So haben wir gelernt, dass es seinen Namen aufgrund seines Aussehens hat; nämlich wegen seiner sogenannten Spike-Proteinen. Das sind die winzigen kleinen Spitzen, die aus der Hülle herausragen und einen Kranz, was auf lateinisch Corona heißt, bilden. Die meisten kennen wahrscheinlich das Bild in dem eben diese Spikes rot und deutlich hervortreten. Natürlich sind diese Spitzen nicht wirklich rot, sondern wurden in der Bildbearbeitung eingefärbt bzw. handelt es sich dabei meistens um 3D-Darstellungen und keine tatsächlichen Bilder im klassischen Sinne. Tatsächlich hat das Virus nämlich keine Farbe! Warum? Das sichtbare Licht, jener Bereich in dem das menschliche Auge sieht und wo es Farben wahrnimmt hat eine Wellenlänge von 380 bis 750 Nanometer (nm). Größere Wellenlängen wie etwa Infrarot sehen wir nicht mehr, nehmen sie aber als Wärme wahr. Licht mit kürzeren Wellenlängen ist zum Beispiel die Röntgenstrahlung. 

Auf dem Bild wurden die Spike-Proteine des Coronavirus eingefärbt – in Wirklichkeit hat das Virus keine Farbe (CDC/ Alissa Eckert, MS; Dan Higgins, MAM; Centers for Disease Control and Prevention‘s Public Health Image Library)

Nun ist Sars-CoV-2 aber lediglich 120 nm groß oder besser gesagt winzig (das sind 0,00012 Millimeter!). Zum Vergleich: Ein normales, europäisches Haar hat einen durchschnittlichen Durchmesser von 70000 nm! Das heißt das Virus ist kleiner als die Wellenlänge des Lichts und hat somit auch keine Farbe. 

Wie kann man es nun doch sehen? Und vor allem wie können wir Fotos von Viren machen? 

Mit dem bloßen Augen können wir Menschen gerade noch den Durchmesser eines Haares wahrnehmen. Für Dinge, die unterhalb unserer Auflösungsvermögens liegen, wie Bakterien oder Zellen, verwenden wir bereits seit rund 400 Jahren Geräte die Objekte stark vergrößert darstellen, also Mikroskope. 

Lichtmikroskope können Objekte von einer Größe von 200-300 nm auflösen. Fotografien, die mit solchen Mikroskopen aufgenommen werden, deren Abbildungen auf dem Sensor also größer sind als das tatsächliche Objekt, nennt man Mikrofotografien – im Gegensatz zu Makrofotografien. Gemeinsam ist beiden Bereichen die geringe Schärfentiefe, der durch “Focus Stacking” Abhilfe verschafft werden kann. Dabei werden mehrere Bilder mit unterschiedlichen Schärfenzonen mit einer speziellen Software zusammengefügt, damit ein durchgängig scharfes Bild erzeugt wird. 

Obwohl es eigene Mikroobjektive gibt, werden die häufigsten Mikrofotografien mit Kameras gemacht, die an ein Mikroskop angeschlossen werden. Dabei wird nur die Kamera (ohne Objektiv) an das Mikroskop über einen eigenen Fototubus fest gemacht. Ist dieser nicht vorhanden, kann die Kamera auch direkt an das Okular gehalten werden. Allerdings benötigt es dafür eine ruhige Hand, da es sonst zu Verwacklungsunschärfen kommen kann. Hierbei entstehen auch typischen Vignetten (dunkle Umrandungen). Abhilfe verschafft ein Tubus-Adapter, wodurch die Kamera anstelle des Okulars angebracht wird. Diese Methode ist zwar etwas teurer, steigert aber auch die Qualität der Fotos. 

Die Mikrofotografie eröffnete uns jedenfalls eine ganz neue Welt, wie wir sie vorher noch nicht kannten. Durch sie erleben wir eine lebendige Vielfalt, die uns sonst verborgen geblieben wäre. Einzellige Organismen, Bakterien, kleine Krebstiere wie Wasserflöhe aber auch Struktur und Aufbau von Metall und Gestein kann so untersucht werden. 

Lange vor der ersten Fotografie wurden derartige Beobachtungen, die mit Auflichtmikroskopen durchgeführt wurden, bereits als Zeichnungen festgehalten. Der Universalgelehrte Robert Hooke fertigte schon 1663 so genannte “Micrographien” an und präsentierte diese der Royal Society. In noch nie gekannter Detailliertheit zeigte er versteinertes Holz, Schimmelpilz oder die Facettenaugen von Spinnen, Milben und Fliegen. Als dann Anfang 1665 die Royal Society das Buch “Micrographia” mit seinen Aufzeichnungen erschien, wurde es, verständlicherweise, ein “Bestseller” – war es doch das erste seiner Art, dass Aufnahmen aus einem Mikroskop zeigte. 

Der Universalgelehrte Hooke zeichnete seinen Beobachtungen aus dem Mikroskop auf. Das Bild zeigt das Facettenauge einer Fliege; Robert Hooke: Micrographia. London 1665

Im vergangenen Jahr hatte ich das Glück großformatige Aufnahmen von Mikrofotografien zu betrachten und in diese visuell so beeindruckende, weil für uns so fremde Welt einzutauchen. Beim Betrachten der Werke von Spike Walker beim La Gacilly-Baden Fotofestival war ich fasziniert von der tierischen Vielfalt, die sich im Mikrokosmos abspielt, wie etwa winzige Wespen oder Krebstiere, die er seit über 70 Jahren fotografisch festhält.   

In seinem Fokus stehen aber auch Algenkolonien, Vitamin C, Aspirin oder Adrenalin. Wer Symmetrien und grafische Ordnung mag, wird diese Bilder lieben! Eine Auswahl seiner faszinierenden Bilder könnt ihr hier oder hier finden. Mir wurden beim Betrachten einer winzigen Wespe, Alaptus Magnanimus, oder der kristallinen Struktur der Kokosbutter wieder deutlich vor Augen geführt wie schnell die Grenzen zwischen Kunst und Wissenschaft verschwimmen. Liegen doch all den Bildern mit ihren sich widerholenden Mustern, dem Farbenspiel und dem Bildaufbau auch eine gewisse Ästhetik zu Grunde.  

Besonders deutlich wird dies auch in den Arbeiten des schwedischen Fotojournalisten Lennart Nilsson. Er erlangte in den 1960er Jahren Berühmtheit für seine Aufnahmen von Embryonen. Vielen wird das Foto von dem ungeborenen Baby, das scheinbar an seinem Daumen nuckelt bekannt sein. Und seine Aufnahme eines 18 Wochen alten Fötus am Cover des LIFE Magazines 1965 sorgte dafür, dass die Ausgabe nach nur wenigen Tagen bereits vergriffen war. Was sonst Medizinern und Forschern vorenthalten war, konnten mit einem Schlag viele Menschen sehen: Die Welt im Inneren des Körpers und im ganz Kleinen. 

Hier dockt die Fotografie an die Wissenschaft an. Durch sie können neue Erkenntnisse in der Biologie und der Medizin gewonnen werden. Ihr Wert ist daher ganz unbestritten, v.a. die Mikrobiologie profitiert von den technischen Entwicklungen und rasanten Fortschritten welche die Digitalisierung in diesem Bereich mit sich brachte. Auch in der Mikrofotografie werden die Aufnahmen längst digital erstellt und können sofort mit speziellen Computerprogrammen bearbeitet, manipuliert und analysiert werden. 

Viren bewegen sich allerdings im submikroskopischen Raum und sind also zu klein für Lichtmikroskope. Hier kommen Elektronenmikroskope ins Spiel. 

Das erste Elektronenmikroskop (EM) wurde 1931 gebaut und hieß damals noch “Übermikroskope”. Der etwas merkwürdig anmutende Name erklärt sich dadurch, dass der Erfinder, Ernst Ruska, aus Deutschland kam und damals war es noch nicht üblich, jedes neue Phänomen oder Gerät mit einem englischen Begriff zu benennen. Ruska erhielt für seine Übermikroskope 1986 den Nobelpreis; spät aber immerhin nicht zu spät (er starb zwei Jahre später).

Ihre Funktionsweise unterscheidet sich gänzlich von jener “normaler” Mikroskope; Statt Lichtstrahlen zur Abbildung werden Elektronenstrahlen verwendet. Also ein kontinuierlicher Strahl aus Elektronen, den winzigen Elementarteilchen die zum Beispiel die Hülle von Atomen bilden. Anstelle von Glaskörpern als Linsen zur Kontrolle des Lichts werden Magnetfelder benutzt um die Elektronen zu lenken. Bei einem Rasterelektronenenmikroskop wird also ein Elektronenstrahl über ein Raster geführt (daher der Name) auf dem sich das abzubildende Objekt befindet. Durch die Wechselwirkung der Elektronen mit dem Objekt wird dann ein Bild erzeugt, das im Prinzip die Struktur der Objektoberfläche wiedergibt und eine hohe Schärfentiefe aufweist. Damit die Elektronen nicht mit Luftmolekülen zusammenstoßen und Artefakte erzeugen, benötigt ein Elektronenmikroskop ein Hochvakuum.

Wer ganz genau wissen will, wie solche Geräte funktionieren, kann sich dieses kurze Video von “Doktor Whatson” ansehen. Dort ist es sehr gut erklärt.

Pollen im Elektronenmikroskop.
(Dartmouth College Electron Microscope Facility)

Aber nochmals zurück zu Lennart Nilsson. Der erwischte bei seiner Arbeit nämlich Viren auf frischer Tat – er fotografierte Herpes-Viren just in dem Moment als sie aus der Zelle ausbrachen, riesige Krater in der Zellmembran hinterließen und diese somit total zerstörten. Eine genaue Dokumentation darüber könnt ihr hier sehen. 

Mittlerweile werden sogenannte Kryo-Elektronenmikroskope eingesetzt bei denen die biologischen Proben schockgefroren werden. Dadurch werden sie in einen amorphen, glasartigen Zustand versetzt und ihre Struktur kann genau analysiert werden. Sie sind daher insbesondere für StrukturbiologInnen zur Untersuchung von Proteinen oder Viren in ihrem Naturzustand ein wichtiges Werkzeug geworden. 

Wenn der Strahl aus Elektronen auf das zu untersuchende Objekt trifft, können die kleinen Teilchen mit dessen Oberfläche wechselwirken. Das verändert die Intensität des Elektronenstrahls und genau die wird am Ende von einem Detektor gemessen. Die Stärke des Strahls wird in unterschiedlichen Grautönen in Form einer zweidimensionalen Abbildung dargestellt. Diese Bilder haben aber noch ein sehr hohes Rauschverhältnis.

In der Praxis macht man daher nicht nur eines sondern eine Vielzahl an Bildern (5.000 bis 100.000) und bildet daraus ein gemitteltes Bild, was zu einem wesentlich besserem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis führt.  

Elektronenmikroskope sind für die Forschung von grundlegender Bedeutung. Sie ermöglichen die Arbeit direkt am lebenden Objekt und leisten einen wesentlichen Beitrag um die Strukturen des Virus zu verstehen. In der aktuellen Erforschung des Coronavirus setzt man ebenfalls auf Kryo-EM.

Die Bilder, die so entstehen sind enorm wichtig für die Wissenschaft um das Coronavirus in den Griff zu kriegen und zu sehen wie es sich bei der Mensch zu Mensch Übertragung weltweit entwickelt und verändert. Wenn es in Zukunft einen Impfstoff geben wird, dann ist das sicher auch den Bildern zu verdanken. Diese Bilder sind  aber auch wichtig für Menschen. Wir müssen/wollen Dinge sehen, um sie wirklich begreifen zu können. Früher hat man nicht gesehen was Krankheiten auslöst, deswegen gab es jede Menge Angst, Panik und Aberglaube. Heute haben wir zwar immer noch Angst. Aber zumindest wissen wir, wie unser Gegner aussieht.

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