Big Data for small cells – neue Software zur Beobachtung einzelner Zellen

Bestimmte Fragestellungen der modernen Zellbiologie können nur beantwortet werden, wenn ganz gezielt das Schicksal einzelner Zellen beobachtet wird. Forscher interessieren sich beispielsweise dafür, wie sich Stammzellen zu anderen Zelltypen weiterentwickeln. Da sich solche Prozesse aber teilweise über mehrere Tage erstrecken, ist die Analyse mit Standardmethoden, die oft nur einen einzigen Zeitpunkt des Prozesses messen, nicht ausreichend.

Das Aufzeichnen und Analysieren sogenannter time-lapse Mikroskopie Filme* ist jedoch nicht trivial: „Auf der einen Seite müssen genug Bilder aufgenommen werden, um die Zellen nicht aus den Augen zu verlieren, auf der anderen Seite entstehen so enorme Datenmengen mit teilweise Millionen von Bildern“ erklärt Prof. Dr. Dr. Fabian Theis das bisherige Dilemma.

„Es ging also darum, diese sprichwörtlichen Big Data für die Wissenschaft verwertbar zu machen.“ Theis ist Direktor des Institute of Computational Biology (ICB) am Helmholtz Zentrum München sowie Inhaber des Lehrstuhls für Mathematische Modelle biologischer Systeme der TU München. Er leitete die Studie gemeinsam mit Prof. Dr. Timm Schroeder vom Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) der ETH Zürich mit Sitz in Basel.

Software online verfügbar

Schroeder forschte bis 2013 selbst am Helmholtz Zentrum München und befasst sich seit langem mit der Dynamik von Stammzellen. Er wusste also bestens, was die neue Software können sollte: „Wir haben zwei separate Pakete geschnürt: ein manuelles Trackingtool und ein halbautomatisches Quantifizierungstool für Einzelzellanalysen in time-lapse Mikroskopie Filmen.** Beide zusammen erlauben die Messung von Eigenschaften wie etwa Länge des Zellzyklus, die Expressionsdynamik bestimmter Proteine oder Korrelationen dieser Eigenschaften zwischen Schwesterzellen.“

Wenn es nach den Wissenschaftlern geht, sollen die neuen Möglichkeiten, die diese Programme bieten, möglichst vielen Forschern weltweit zur Verfügung stehen. Die Software ist daher kostenlos und unter dem folgenden Link abrufbar: http://www.bsse.ethz.ch/csd/software/ttt-and-qtfy.html

Und auch technische Hürden wurden so gut es ging beseitigt. „Unser Fokus lag darauf, die Anwendung auch für Forscher zu ermöglichen, die nicht über IT-Hintergrundwissen verfügen“, erklärt Schroeder. Und die Anwendung scheint gut zu funktionieren: zwei hochrangige Publikationen gehen bereits auf die ‚Spionagesoftware‘ für Zellen zurück.

Weitere Informationen

Hintergrund:
* Ein time-lapse Mikroskopie Film besteht aus vielen Einzelbildern, der die quasi-kontinuierliche Beobachtung von Zellen erlaubt.

** Bei den beiden Software-Paketen handelt es sich zum einen um tTt (The Tracking Tool), was einzelnen Zellen verfolgt. Zum anderen ermöglicht das Programm qTfy die Quantifizierung von zellulären und molekularen Eigenschaften.

Original-Publikation:
Hilsenbeck, O. & Schwarzfischer, M. & Skylaki S. et al. (2016). A software for single-cell quantification of cellular and molecular dynamics in long-term time-lapse microscopy, Nature Biotechnology, DOI: 10.1038/nbt.3626
http://www.nature.com/nbt/journal/v34/n7/full/nbt.3626.html

Publikationen basierend auf der Software:

Filipczyk, A. (2015). Network plasticity of pluripotency transcription factors in embryonic stem cells. Nature Cell Biology, DOI: 10.1038/ncb3237

Hoppe, P. (2016). Early myeloid lineage choice is not initiated by random PU.1 to GATA1 protein ratios. Nature, DOI: 10.1038/nature18320

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. http://www.helmholtz-muenchen.de

Das Institut für Computational Biology (ICB) führt datenbasierte Analysen biologischer Systeme durch. Durch die Entwicklung und Anwendung bioinformatischer Methoden werden Modelle zur Beschreibung molekularer Prozesse in biologischen Systemen erarbeitet. Ziel ist es, innovative Konzepte bereitzustellen, um das Verständnis und die Behandlung von Volkskrankheiten zu verbessern. http://www.helmholtz-muenchen.de/icb

Die Technische Universität München (TUM) ist mit mehr als 500 Professorinnen und Professoren, rund 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 39.000 Studierenden eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, ergänzt um Wirtschafts- und Bildungswissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit einem Campus in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands. http://www.tum.de

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500 Professorinnen und Professoren bilden rund 20‘000 Studierende – darunter 4000 Doktorierende – aus über 120 Ländern aus. Gemeinsam forschen sie in Natur- und Ingenieurwissenschaften, Architektur, Mathematik, systemorientierten Wissenschaften sowie in Management- und Sozialwissenschaften. Die Erkenntnisse und Innovationen der ETH-Forschenden fliessen in die zukunftsträchtigsten Branchen der Schweizer Wirtschaft ein: von der Informatik über die Mikro- und Nanotechnologie bis hin zur Hightechmedizin. Die ETH meldet jährlich 90 Patente und 200 Erfindungen an. Seit 1996 sind aus der Hochschule 330 Spin-off-Firmen hervorgegangen. Auch in Wissenschaftskreisen geniesst die ETH einen hervorragenden Ruf: 21 Nobelpreisträger haben hier studiert, gelehrt oder geforscht, und in internationalen Rankings wird die ETH Zürich regelmässig als eine der weltweit besten Universitäten bewertet. http://www.ethz.ch/de.html

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