Untersuchung der Klebstoffe mariner Foulingorganismen mit synchrotronbasierten Röntgenmethoden

Die als Biofouling bezeichnete Besiedelung fester, von Wasser bedeckter, Oberflächen stellt in vielerlei Hinsicht ein großes Problem dar. Eine Möglichkeit, wirksame und dennoch umweltverträgliche Gegenstrategien zu entwickeln, besteht darin, die Funktionsweise der biologischen Klebstoffe zu verstehen, mithilfe derer die Foulingorganismen auf ihren Substraten adhärieren. Im Idealfall könnten ungiftige Substanzen mit der Adhäsion bzw. Kohäsion der Klebstoffe interferieren und so die Anhaftung verhindern. Seepocken sind bedeutsame Foulingorganismen, welche mit verschiedenen Arten weltweit in allen Küstenbereichen zu finden sind. Ein entscheidender Schritt ihres Lebenszyklus stellt die permanente Adhäsion der motilen Cyprislarve dar, bevor diese die Metamorphose zur sessilen adulten Form durchläuft. Die Larve sekretiert dazu einen als Cypriszement bezeichnete Klebstoff. Die Analytik dieser Substanz wird unter anderem durch die geringe Materialmenge in Nanogrammbereich erschwert, welche von den Larven einmalig sekretiert wird. Aus diesem Grund ist über die Zusammensetzung des Cypriszements im Gegensatz zum Zement der adulten Seepocken bisher wenig bekannt. In dieser Arbeit wurde erstmals synchrotronbasierte μ-Röntgenfluoreszenzanalyse (μ-RFA) verwendet, um die Elementverteilungen in den Seepockenarten Elminius modestus, Balanus amphitrite und Balanus improvisus sowie deren Cyprislarven in vivo zu untersuchen. Die an der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA durchgeführten Experimente lieferten erste Hinweise auf erhöhte Konzentrationen einiger Elemente im Cypriszement, allen voran Brom, deren Vorkommen bisher noch nicht beschrieben worden war. Um die Hinweise zu überprüfen, wurden anschließend mit der gleichen Methode Proben der von B. amphitrite und B. improvisus auf einem Kaptonsubstrat hinterlassenen Adhäsive in situ untersucht. Neben Brom wurden dabei auch noch weitere Elemente gefunden, deren Vorkommen in dieser Substanz bisher nicht bekannt war. Motiviert durch diese Erfolge wurde die Anwendung der μ-RFA auf weitere Foulingorganismen getestet. Erste In-vivo-Messungen bei ANKA am Kalkröhrenwurm Ficopomatus enigmaticus verliefen erfolgreich. Auch die vergleichsweise kleine marine Kieselalge Navicula perminuta konnte an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRAIII untersucht werden. Bislang war es jedoch noch nicht möglich, Fluoreszenzsignale der adhäsiven Sekretspuren zu detektieren, die die motile Alge auf Substraten hinterlässt. Dies ist höchstwahrscheinlich auf die schwache Wechselwirkung der verwendeten harten Röntgenstrahlung mit dem sub-μm-dicken Probenmaterial zurückzuführen. Weiche Röntgenstrahlung zeigt eine deutlich stärkere Wechselwirkung. Um die Möglichkeiten zu untersuchen, die Photonen dieses Energiebereichs für eine Untersuchung mikroskopischer biologischer Proben bieten, wurde ptychographische Röntgenmikroskopie an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II verwendet, um den Phasen- und Absorptionskontrast verschiedener Probentypen zu charakterisieren. Als Alternative zum Elementkontrast der RFA wurde dabei an einer Testprobe aus Mikrokugeln sowohl ptychographisch als auch mittels Vollfeldmikroskopie das Potential des NEXAFS-Kontrasts demonstriert, welcher in der Lage ist, chemische Bindungszustände zu differenzieren und somit prinzipiell geeignet erscheint, Einblicke in die Zusammensetzung biologischer Klebstoffe zu erhalten

Water Window Ptychographic Imaging with Characterized Coherent X-rays

We report on a ptychographical coherent diffractive imaging experiment in the water window with focused soft X-rays at $500~\mathrm{eV}$. An X-ray beam with high degree of coherence was selected for ptychography at the P04 beamline of the PETRA III synchrotron radiation source. We measured the beam coherence with the newly developed non-redundant array method. A pinhole $2.6~\mathrm{\mu m}$ in size selected the coherent part of the beam and was used for ptychographic measurements of a lithographically manufactured test sample and fossil diatom. The achieved resolution was $53~\mathrm{nm}$ for the test sample and only limited by the size of the detector. The diatom was imaged at a resolution better than $90~\mathrm{nm}$.Comment: 22 pages. 7 figure

In Cellulo Analysis of Huntingtin Inclusion Bodies by Cryogenic Nanoprobe SAXS

Huntington's disease (HD) is one of nine neurodegenerative disorders associated with an extension of polyglutamine (polyQ) in proteins. In HD, the polyQ tract in the huntingtin protein is extended beyond a threshold of 38 amino acids leading to the formation of amyloidal structures in the cytoplasm and nucleus. We investigated here the structure of Htt (Huntingtin) amyloid fibrils in cellulo with nanoprobe small angle X-ray scattering. As these measurements were performed under cryogenic conditions, the information is obtained on the aggregates in their natural, hydrated environment without the need of staining and chemical fixation. We also could show the presence of oligomer structures not visible in fluorescence microscopy. Structural information on repetitive units inside of Htt inclusion bodies was determined from the SAXS data and compared to electron microscopy images. The results suggest that nanoprobe cryo-SAXS can serve as powerful tool to investigate the kinetics of amyloid aggregate formation inside cells and to understand how fibril formation can be influenced by drugs and other external stimuli

Micro x-ray fluorescence analysis of trace element distribution in frozen hydrated HeLa cells at the P06 beamline at Petra III

X-ray fluorescence analysis enables the study of trace element distributions in biological specimens. When this analysis is done under cryogenic conditions, cells are cryofixed as closely as possible to their natural physiological state, and the corresponding intracellular elemental densities can be analyzed. Details about the experimental setup used for analysis at the P06 beamline at Petra III, DESY and the used cryo-transfer system are described in this work. The system was applied to analyze the elemental distribution in single HeLa cells, a cell line frequently used in a wide range of biological applications. Cells adhered to silicon nitride substrates were cryoprotected within an amorphous ice matrix. Using a continuous scanning scheme and a KB x-ray focus, the distribution of elements in the cells was studied. We were able to image the intracellular potassium and zinc levels in HeLa cells as two key elements relevant for the physiology of cells

Micro x-ray fluorescence analysis of trace element distribution in frozen hydrated HeLa cells at the P06 beamline at Petra III

X-ray fluorescence analysis enables the study of trace element distributions in biological specimens. When this analysis is done under cryogenic conditions, cells are cryofixed as closely as possible to their natural physiological state, and the corresponding intracellular elemental densities can be analyzed. Details about the experimental setup used for analysis at the P06 beamline at Petra III, DESY and the used cryo-transfer system are described in this work. The system was applied to analyze the elemental distribution in single HeLa cells, a cell line frequently used in a wide range of biological applications. Cells adhered to silicon nitride substrates were cryoprotected within an amorphous ice matrix. Using a continuous scanning scheme and a KB x-ray focus, the distribution of elements in the cells was studied. We were able to image the intracellular potassium and zinc levels in HeLa cells as two key elements relevant for the physiology of cells

Synchrotron coherence measurements utilizing Non-Redundant Arrays of slits

We present a method to characterize the spatial coherence of soft X-ray radiation from a single diffraction pattern. The technique is based on scattering from non-redundant arrays (NRA) of slits and records the degree of spatial coherence at several relative separations [1]. Using NRAs we measured the spatial coherence of the X-ray beam at the XUV X-ray beamline P04 of the PETRA III storage ring [2] and at the U49/2 PGM1 beamline of the BESSY II synchrotron [3]. In both cases, the spatial coherence was measured for different beam parameters, including the photon energy and the monochromator exit slits separation (see Fig.1). We demonstrated that a rapid high-throughput analysis of the beam spatial coherence prior to any experiment utilizing coherence is possible. We also foresee that NRA method could become a viable tool for single pulse coherence characterization measurements at X-ray free-electron lasers [4, 5].References:[1] Y. Mejía et al., Opt. Commun. 273, 428 (2007).[2] P. Skopintsev et al., J. Synchrotron Rad. (2014) (accepted).[3] P. Skopintsev et al. (2014) (in preparation)[4] I.A. Vartanyants et al., Phys. Rev. Lett. 107, 144801 (2011).[5] A. Singer et al., Opt. Express 20(16), 17480 (2012)

Ptychographic Imaging of Fossil Diatom Structures with Soft X-Rays

Imaging of biological samples in the water window offer high chemical contrast between Oxygen and Carbon. To avoid resolution limitations due to lens based microscopy techniques the coherent diffractive imaging (CDI) method is favourable for high resolution imaging. In order to measure extended samples the ptychographic coherent diffractive imaging technique (PCDI) is applied. Images of a test pattern and a fossil diatom are reconstructed with the extended ptychographic iterative engine (ePIE) at 55 nm and 286 nm resolution respectively