English Title: Melanosomes in real and Fourier space

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Abstract

Melanosomen sind etwa 1 μm kleine, in Melanozyten angesiedelte, Zellorganellen, die das Pigment Melanin produzieren und speichern. Melanosomen schützen ihre Wirtszellen vor schädlicher ultravioletter Strahlung und neutralisieren schädliche, redoxaktive Metallionen. Fehlfunktionen dieser Organellen führen zu Erkrankungen wie Hautkrebs und Albinismus. Diese Arbeit untersuchte die Hypothese, dass strukturell veränderte Melanosomen der Auslöser für das Pigmentglaukom, eine Augenkrankheit, sind. Dazu wurden murine Organellen des gesunden Wildtyps C57BL/6J (B6) mit jenen des am Glaukom erkrankten Mutanten DBA/2J (D2) verglichen. Um Artefakte durch Probenpräparation und Strahlenschäden auszuschließen, wurden Kleinwinkelröntgenstreuexperimente (SAXS) mit Synchrotronstrahlung an suspendierten und vitrifizierten Melanosomen durchgeführt. Für die Realisierung der Experimente wurde eine Kryo-Einheit für optische Mikroskopie entwickelt. Die Korrelation optischer, kryo-mikroskopischer Bilder mit Raster- Transmissionsröntgen-aufnahmen ergänzte die Interpretation von SAXS-Daten bei harter Röntgenstrahlung. Die Analyse ergab, dass B6-Melanosomen über eine glatte Oberfläche verfügen. Sie sind aus dicht gepackten Untereinheiten mit dem Streumassenradius RB6 = (22,6 ± 6,0) nm aufgebaut. D2-Organellen weisen eine raue Oberfläche auf und haben eine granuläre Substruktur aus Elementen mit Streumassenradius RD2 = (31,3 ± 2,0) nm. Die Demonstration von Kryo- Ptychographie im Wasserfenster und die computergestützte thermische Charakterisierung des Kryo-Transfersystems für die Vakuumkammer HORST erlaubt einen Ausblick auf korrelative Kleinwinkelstreuung mit weicher Röntgenstrahlung.

Translation of abstract (English)

Melanosomes are about 1 μm small, melanocyte-based organelles, which produce and store the pigment melanin. Melanosomes shield their host cells from harmful ultra-violet radiation and sequester redox-active metal ions. Melanosomal malfunctions cause diseases like skin cancer and albinism. The central hypothesis of this thesis was that structurally altered melanosomes are the trigger for the ocular affection pigmentary glaucoma. For this, murine organelles from the healthy wild type C57BL/6J (B6) were compared with the ones from the mutant DBA/2J (D2) which develops glaucoma spontaneously. In order to avoid any artifacts due to sample preparation or radiation damage, small-angle X-ray scattering experiments (SAXS) have been performed on suspended and vitrified melanosomes. Therefore, a cryo-stage for an optical microscope has been designed. The correlation of optical cryo-micrographs with scanning transmission X-ray images supplemented the interpretation of SAXS data with hard X-rays. The analysis showed that B6 organelles exhibit a smooth surface. They are made up of denselypacked subunits with the radius of gyration RB6 = (22.6 ± 6.0) nm. D2 organelles feature a rough surface and show a granular substructure with constituents of RD2 = (31.3 ± 2.0) nm. The demonstration of cryo-ptychography in the water window in tandem with the thermal characterization of the cryo-transfer system of the imaging vacuum chamber HORST paves the way for correlative small-angle X-ray scattering with soft X-rays.