Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

HD-Mikroskopie in Millisekunden

20.09.2019

Forschende der Universität verbessern superauflösende Mikroskopie

Sie können winzig kleine Zellstrukturen sichtbar machen: Modernste Lichtmikroskope bieten Auflösungen von wenigen zehn Nanometern – also dem Millionstel eines Millimeters. Bisher waren superauflösende Mikroskopien allerdings deutlich langsamer als herkömmliche Verfahren, da mehr oder feinere Bilddaten aufgenommen werden mussten. Forschende der Universität Bielefeld haben nun gemeinsam mit Partnern aus Jena das superauflösende Verfahren SR-SIM weiterentwickelt.


Diese Aufnahme des neuen Mikroskops zeigt eine lebende Knochenkrebszelle mit Zellkern (blau), Mitochondrien (grün) und Zytoskelett (magenta).

Universität Bielefeld/W. Hübner


Der Physiker Prof. Dr. Thomas Huser leitet die Arbeitsgruppe Biomolekulare Physik an der Universität Bielefeld.

Universität Bielefeld

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass SR-SIM auch in Echtzeit sowie mit einer sehr hohen Bildfrequenz möglich ist – und damit geeignet, um zum Beispiel Bewegungen von sehr kleinen Zellpartikeln zu beobachten. Ihre Ergebnisse wurden heute (20. September) im Fachmagazin „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Erst dadurch wird diese Art von Mikroskopie für die Anwendung in der Biologie oder Medizin auch wirklich nützlich. Denn das Problem ist bisher: Mikroskope, die eine ausreichend hohe Auflösung bieten, können Informationen nicht in der entsprechenden Geschwindigkeit darstellen“, sagt Professor Dr. Thomas Huser, der die Arbeitsgruppe Biomolekulare Physik an der Universität Bielefeld leitet.

Das Projekt zu SR-SIM wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie der Europäi-schen Union über Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert.

SR-SIM steht für „super-resolved structured illumination microscopy“ und ist ein fluoreszenzmikroskopisches Verfahren. Hierbei werden Objekte mit Laser-Licht bestrahlt. Dieses Licht regt besondere, fluoreszierende Moleküle in der Probe an, sodass sie Licht in einer anderen Wellenlänge wieder abstrahlen. Die mikroskopische Aufnahme zeigt dann das abgestrahlte Licht.

„Im Unterschied zu herkömmlichen fluoreszenzmikroskopischen Verfahren werden die Präparate bei SR-SIM jedoch nicht gleichmäßig, sondern über ein feines, gitterförmiges Muster beleuchtet. Diese spezielle Technik ermöglicht die viel höhere Auflösung“, sagt Huser.

Das Verfahren verläuft in zwei Schritten: Das vom Präparat abgestrahlte Licht wird zunächst in mehreren Einzelbildern aufgenommen. Aus diesen Rohdaten wird im Anschluss das fertige Bild auf einem Computer rekonstruiert. „Vor allem der zweite Schritt hat bisher sehr viel Zeit gekostet“, sagt Andreas Markwirth, ebenfalls von der Arbeitsgruppe Biomolekulare Physik der Universität Bielefeld. Er ist Erstautor der Studie.

Die Bielefelder Forschenden haben daher zusammen mit Professor Dr. Rainer Heintzmann vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien sowie der Friedrich-Schiller-Universität in Jena daran gearbeitet, das Verfahren schneller zu machen. Das Mikroskop ist nun so ausgelegt, dass die Rohdaten schneller erzeugt werden. Zudem nimmt auch die Bildrekonstruktion dank des Einsatzes von Parallelrechner-Verfahren auf modernen Grafikkarten deutlich weniger Zeit in Anspruch.

Für ihre Studie haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das neue Verfahren an biologischen Zellen getestet und die Bewegungen von Mitochondrien aufgezeichnet, etwa einen Mikrometer kleinen Zellorganellen. „Wir konnten ungefähr 60 Einzelbilder pro Sekunde erzeugen – das ist eine höhere Bildfrequenz als bei Kinofilmen. Zwischen Messung und Bild liegen weniger als 250 Milli-sekunden, daher erlaubt die Technik Echtzeitaufnahmen“, sagt Markwirth.

Bisher werden superauflösende oft mit herkömmlichen Verfahren kombiniert: Ein herkömmliches schnelles Mikroskop wird genutzt, um Strukturen zunächst zu finden. Danach können diese Strukturen über ein superauflösendes Mikroskop im Detail untersucht werden. „Manche Strukturen sind aber so klein, dass sie mit herkömmlichen Mikroskopen gar nicht erst gefunden werden können, zum Beispiel spezielle Poren in Leberzellen.

Unser Verfahren ist sowohl hochauflösend als auch schnell – das ermöglicht Biologinnen und Biologen, solche Strukturen zu erforschen“, sagt Huser. Eine andere Anwendung für das neue Mikroskop ist die Untersuchung von Virenpartikeln auf ihrem Weg durch die Zelle. „So können wir nachvollziehen, was bei Infektionsprozessen genau passiert“, sagt Huser. Er erwartet, dass das Mikroskop im Laufe des nächsten Jahres für solche Studien an der Universität Bielefeld zum Einsatz kommen kann.

Superauflösende Mikroskope gibt es erst seit etwa 20 Jahren. Der Physiker Ernst Abbe hatte 1873 herausgefunden, dass die Auflösung eines optischen Systems für sichtbares Licht auf etwa 250 Nanometer begrenzt ist. In den vergangenen Jahren wurden jedoch gleich mehrere optische Verfahren entwickelt, um die Abbe’sche Auflösungsgrenze zu unterschreiten. Für die Entwicklung einer Superauflösung im Bereich von etwa 20 bis 30 Nanometer erhielten die US-Amerikaner William E. Moerner und Eric Betzig sowie der Deutsche Stefan Hell 2014 den Nobelpreis für Chemie.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Thomas Huser, Universität Bielefeld
Fakultät für Physik
Telefon: 0521 106-5451
E-Mail: thomas.huser@physik.uni-bielefeld.de

Originalpublikation:

Andreas Markwirth, Mario Lachetta, Viola Mönkemöller, Rainer Heintzmann, Wolfgang Hübner, Thomas Huser, Marcel Müller: Video-Rate Multi-Color Structured Illumination Microscopy with Simultaneous Real-Time Reconstruction. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-019-12165-x, erschienen am 20. September 2019.

Weitere Informationen:

Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien zur neuen Studie
Webseite der Arbeitsgruppe Biomolekulare Photonik
Pressemitteilung „Gesundes Altern: Neues Projekt zur menschlichen Leber“ vom 23.08.2017
Pressemitteilung „Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität“ vom 24.04.2017

Sandra Sieraad | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-bielefeld.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Soziale Netzwerke geben Aufschluss über Dates von Blaumeisen
19.02.2020 | Max-Planck-Institut für Ornithologie

nachricht Einblicke in den Ursprung des Lebens: Wie sich die ersten Protozellen teilten
19.02.2020 | Universität Augsburg

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: Fraunhofer IOSB-AST und DRK Wasserrettungsdienst entwickeln den weltweit ersten Wasserrettungsroboter

Künstliche Intelligenz und autonome Mobilität sollen dem Strukturwandel in Thüringen und Sachsen-Anhalt neue Impulse verleihen. Mit diesem Ziel fördert das Bundeswirtschaftsministerium ab sofort ein innovatives Projekt in Halle (Saale) und Ilmenau.

Der Wasserrettungsdienst Halle (Saale) und das Fraunhofer Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung, Institutsteil Angewandte Systemtechnik...

Im Focus: A step towards controlling spin-dependent petahertz electronics by material defects

The operational speed of semiconductors in various electronic and optoelectronic devices is limited to several gigahertz (a billion oscillations per second). This constrains the upper limit of the operational speed of computing. Now researchers from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg, Germany, and the Indian Institute of Technology in Bombay have explained how these processes can be sped up through the use of light waves and defected solid materials.

Light waves perform several hundred trillion oscillations per second. Hence, it is natural to envision employing light oscillations to drive the electronic...

Im Focus: Haben ein Auge für Farben: druckbare Lichtsensoren

Kameras, Lichtschranken und Bewegungsmelder verbindet eines: Sie arbeiten mit Lichtsensoren, die schon jetzt bei vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken sind. Zukünftig könnten diese Sensoren auch bei der Telekommunikation eine wichtige Rolle spielen, indem sie die Datenübertragung mittels Licht ermöglichen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) am InnovationLab in Heidelberg ist hier ein entscheidender Entwicklungsschritt gelungen: druckbare Lichtsensoren, die Farben sehen können. Die Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt in der Zeitschrift Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908258).

Neue Technologien werden die Nachfrage nach optischen Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen erhöhen, darunter auch die Kommunikation mithilfe von...

Im Focus: Einblicke in die Rolle von Materialdefekten bei der spin-abhängigen Petahertzelektronik

Die Betriebsgeschwindigkeit von Halbleitern in elektronischen und optoelektronischen Geräten ist auf mehrere Gigahertz (eine Milliarde Oszillationen pro Sekunde) beschränkt. Die Rechengeschwindigkeit von modernen Computern trifft dadurch auf eine Grenze. Forscher am MPSD und dem Indian Institute of Technology in Bombay (IIT) haben nun untersucht, wie diese Grenze mithilfe von Lichtwellen und Festkörperstrukturen mit Defekten erhöht werden könnte, um noch größere Rechenleistungen zu erreichen.

Lichtwellen schwingen mehrere hundert Trillionen Mal pro Sekunde und haben das Potential, die Bewegung von Elektronen zu steuern. Im Gegensatz zu...

Im Focus: Charakterisierung von thermischen Schnittstellen für modulare Satelliten

Das Fraunhofer IFAM in Dresden hat ein neues Projekt zur thermischen Charakterisierung von Kupfer/CNT basierten Scheiben für den Einsatz in thermalen Schnittstellen von modularen Satelliten gestartet. Gefördert wird das Projekt „ThermTEST“ für 18 Monate vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Zwischen den Einzelmodulen von modularen Satelliten werden zur Kopplung eine Vielzahl von Schnittstellen benötigt, die nach ihrer Funktion eingeteilt werden...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gemeinsam auf kleinem Raum - Mikrowohnen

19.02.2020 | Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage am 14. und 15. März 2020: „Mach es einfach!“

12.02.2020 | Veranstaltungen

4. Fachtagung Fahrzeugklimatisierung am 13.-14. Mai 2020 in Stuttgart

10.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Gemeinsam auf kleinem Raum - Mikrowohnen

19.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Fraunhofer IOSB-AST und DRK Wasserrettungsdienst entwickeln den weltweit ersten Wasserrettungsroboter

19.02.2020 | Informationstechnologie

Einblicke in den Ursprung des Lebens: Wie sich die ersten Protozellen teilten

19.02.2020 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics