Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einzelne Moleküle auf Nanoebene abbilden? Neue Software simuliert superhochaufgelöste Lichtmikroskopie und ermöglicht die Planung von Laborversuchen

04.04.2016

Mit der Software "SuReSim" unnötige Versuchsreihen vermeiden und wertvolle Ressourcen im Labor sparen / Heidelberger Anatomen veröffentlichen in "Nature Methods"

Wissenschaftler am Institut für Anatomie und Zellbiologie der Mediznischen Fakultät Heidelberg haben die Opensource Software SuReSim (Super Resolution Simulation) entwickelt: Dieses Programm ermöglicht Anwendern Voraussagungen darüber zu treffen, ob eine biologische Struktur mit der Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie, einer Technik der superhochaufgelösten Lichtmikroskopie für welche 2014 der Nobelpreis verliehen wurde, dargestellt werden kann.


Mikrotubuli des Zytoskeletts einer Nervenzellle, röhrenähnliche Strukturen welchen den Zellen mechanische Stabilität geben, in räumlicher Anordnung wurden hier für eine Aufnahme mit der Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie simuliert: Die roten Linien stellen die Kurve der Mikrotubuli in räumlicher Anordnung dar, die gelben Stifte die Orientierung von Fluoreszenzmarkern und die weißen Punkte zeigen simulierte Lokalisationen. Die Lokalisationen skizzieren die Ansiedlung der Mikrotubuli mit höchster Präzision (Zahlen sind Entfernungen in Nanometern).

Foto: Varun Venkatamarani und Frank Herrmannsdörfer, Abteilung Funktionelle Neuroanatomie, Institut für Anatomie und Zellbiologie.

Die Forschungsgruppe hat damit in zweierlei Hinsicht einen neuen, optimierten Ansatz geschaffen: Zum einen ermöglicht die Software, Bildgebungsversuche mit Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie zu planen und zu validieren; zum anderen kann sie unnötige Versuchsreihen vermeiden und hilft so, wertvolle Zeit und Ressourcen zu sparen und eine Unter- oder Überinterpretation von Bilddaten zu vermeiden. Die Ergebnisse der Arbeit wurden vorab online in „Nature Methods“ veröffentlicht.

Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie, eine spezifische Form der superhochauflösenden Lichtmikroskopie, wird zunehmend genutzt, um molekulare und zelluläre Strukturen auf Nanoebene zu entschlüsseln. In der Regel gehen Wissenschaftler davon aus, dass die meisten molekularen Strukturen auf dieser Skala aufgelöst werden können.

Dennoch bleibt das Planen und Validieren von Versuchen, welche es zum Ziel haben molekulare Strukturen und deren Anordnung aufzulösen, eine grundlegende Herausforderung. SuReSim ist ein Softwareprogramm, das von den Mitgliedern des Exzellenzclusters CellNetworks der Universität Heidelberg, Prof. Dr. Thomas Kuner (Institut für Anatomie und Zellbiologie) und Prof. Dr. Mike Heilemann (Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Goethe Universität Frankfurt), entwickelt wurde.

Auf der Grundlage von Modellen aus elektronenmikroskopischen Daten simuliert das Programm Daten zur Anordnung beliebiger dreidimensionaler Strukturen. Anwender können so systematisch erforschen, wie sich Änderungen in den Versuchsparametern auf die potenziellen Bildgebungen auswirken, also ob die molekularen Strukturen dann mikroskopisch darstellbar sind.

Kontaktstellen zwischen Nervenzellen erfolgreich im Detail dargestellt und vorab simuliert

„Wir haben mit der Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie die Proteinzusammensetzung an Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, der so genannten aktiven Zone von Synapsen, untersucht“, erläutert Prof. Dr. Kuner. „Daraus ist das Forschungsprojekt zur neuen Software entstanden. Mit Hilfe der Simulation haben wir verstanden, dass nicht nur die primäre Auflösung des Mikroskops eine Rolle spielt, sondern eben auch die Dichte und Anordnungen der Proteine im Präparat entscheidend dafür ist, ob Strukturen geeignet dargestellt werden können oder nicht.“

SuReSim nutzt einen Ansatz zur Bildsimulation, der auf detaillierten Strukturmodellen basiert. Solche Modelle können für viele Versuche entwickelt werden, weil die zelluläre Ultrastruktur und die Strukturen vieler Proteine gut erforscht sind, auch wenn Details der molekularen 3D-Nanostruktur von Zellen meist noch unklar bleiben.

Der SuReSim-Workflow startet mit einem Strukturmodell, welches je nach Vorwissen spezifiziert werden kann. In einem zweiten Schritt lassen sich fluoreszierende Farbstoffe in einer bestimmten Dichte und Orientierung hinzufügen. Die Software simuliert die Anordnung der Marker und gibt schließlich ein Bild aus. So kann eine Vielzahl wichtiger Versuchsparameter für die Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie angewandt und ihr Einfluss auf das daraus entstandene Bild ausgewertet werden.

Die volle Funktion von SuReSim liegt in der Hypothesenprüfung und der Versuchsplanung. Um die Funktionalität des Programms zu zeigen, nutzten Varun Venkataramani und Frank Herrmannsdörfer, Doktoranden aus der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Kuner, bestimmte Teile von Nervenzellen, die synaptischen Bläschen. Sie besitzen eine eindeutige Größe und molekulare Struktur und sind dafür bekannt, dass sie sich dicht gedrängt in Gruppen an den Kontaktstellen von Nervenzellen – den Synapsen- sammeln.

Dennoch bleiben ihre Interaktionen untereinander sowie mit ihrer Umgebung, z.B. Elementen des so genannten Zytoskeletts oder der aktiven Zone der Synapsen, wenig erforscht. Das gleiche gilt für die molekulare Struktur. SuReSim wurde eingesetzt, um zu testen, ob die 3D-Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie einzelne Bläschen und die Moleküle, die die synaptischen Bläschen in Gruppen organisieren, visualisieren kann. Das Versuchsergebnis sagte voraus, dass einzelne synaptische Bläschen in einem Bläschencluster tatsächlich dargestellt werden können, wenn die fluoreszierenden Farbstoffe als Marker an spezifischen Stellen gesetzt und ideale Bedingungen für die Aufnahme der Bilder gegeben sind.

„SuReSim ist ein vielseitiges Programm mit den unterschiedlichsten Anwendungen“, fügt Prof. Dr. Kuner hinzu. „Einerseits kann es Vorhersagen über die Visualisierung der Zellstruktur machen, wie sie mit der Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie dargestellt werden. Aber es können auch Auswertungen von strukturellen Hypothesen gemacht werden. Daher kann die Software zu einem nützlichen Programm für die effiziente Planung von Versuchen mit Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie werden, womit wertvolle Ressourcen eingespart werden können.“

Literatur:
Varun Venkataramani, Frank Herrmannsdörfer, Mike Heilemann & Thomas Kuner: SuReSim: simulating localization microscopy experiments from ground truth models. Nature Methods (2016), doi:10.1038/nmeth.3775

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Kuner
Abteilung Funktionelle Neuroanatomie
Institut für Anatomie und Zellbiologie
Universität Heidelberg
06221-54-8678
kuner@uni-heidelberg.de

Weitere Informationen:

http://www.ana.uni-heidelberg.de/index.php?id=164 Abteilung Funktionelle Neuroanatomie
http://www.ana.uni-heidelberg.de/?id=198 SuReSim Software Projekt
http://www.cellnetworks.uni-hd.de/ Exzellenzcluster CellNetworks

Julia Bird | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.klinikum.uni-heidelberg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

nachricht Schimpansen belohnen Gefälligkeiten
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften (MPIMIS)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften