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Lichtscheibenmikroskopie Organe von Zebrafischen bei der Entwicklung beobachten

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Moderne Mikroskope geben immer detaillierte Einblicke in die Nanowelt. Nachteil sind aber die riesigen Datenmengen, die durch solche Aufnahmen produziert werden. Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik nutzen nun eine neue Methode, die es ihnen ermöglicht eine bis zu 240-fache Reduktion der Datenmenge vorzunehmen. Ihr Beispiel bringt faszinierende Einblicke in die Organentwicklung von Zebrafischen.

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In dem neuartigen Mikroskop werden alle fluoreszierenden Zellen des kugelförmigen Zebrafischembryos auf eine Karte projiziert - wie Länder auf einer Weltkarte. Die Zellen werden automatisch erkannt und farblich hervorgehoben (obere Hälfte). Ihre Wege durch den Embryo lassen sich über mehrere Stunden verfolgen (untere Hälfte) und liefern so wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der Organentwicklung.
In dem neuartigen Mikroskop werden alle fluoreszierenden Zellen des kugelförmigen Zebrafischembryos auf eine Karte projiziert - wie Länder auf einer Weltkarte. Die Zellen werden automatisch erkannt und farblich hervorgehoben (obere Hälfte). Ihre Wege durch den Embryo lassen sich über mehrere Stunden verfolgen (untere Hälfte) und liefern so wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der Organentwicklung.
(Bild: MPI f. molekulare Zellbiologie u. Genetik)

Dresden – Heutige Mikroskope liefern immer schneller immer höher aufgelöste Bilder. Das bringt ein Problem mit sich: Bei jedem Experiment häufen sich Unmengen von Daten an, die irgendwo gespeichert und später ausgewertet werden müssen – bei den neuesten Geräten können es täglich schnell 25 Terabyte sein. Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik haben ihre Mikroskope so weiterentwickelt, dass diese die Bilder in Echtzeit verarbeiten und nur noch das Ergebnis speichern – das reduziert die Datenmengen ungemein und vereinfacht die weitere Auswertung der Bilder.

Unnötige Informationen blähen die Daten auf

„Mikroskope sind leider erst mal dumm“, sagt Jan Huisken vom Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik. Stur nehmen die Geräte große rechteckige Bilder auf, unabhängig davon, ob und wo die Bilder relevante Informationen enthalten. Am Ende entsteht so zwar ein Abbild der Probe. Aber ein Großteil dieses dreidimensionalen Datenblocks ist unnötige Information, die die Datenmengen aufbläht und gigantische Computerleistung in Anspruch nimmt.

Benjamin Schmid in Huiskens Team hat genau hier angesetzt und dem Mikroskop vor dem Experiment beigebracht, was wichtig ist und was nicht: Nun rastert es nur die relevanten Daten ab, in diesem Fall die Zellen auf der Oberfläche eines sich entwickelnden kugelförmigen Zebrafisch-Embryos. In Echtzeit werden die Daten verarbeitet und ihr Volumen damit extrem reduziert.

240-fache Reduktion der Datenmenge

Gespeichert wird also nun das Ergebnis, nicht mehr die Rohdaten. Die Forscher konnten damit die angehäufte Datenmenge drastisch senken: Sie erreichten eine 240-fache Reduktion und schafften so den entscheidenden Schritt von Terabytes zu Gigabytes. „So kann man nun mehrere Experimente parallel machen – das ist es, was Biologen jetzt dringend brauchen und was die Systembiologie vorantreiben wird“, so Huisken. In seiner Arbeitsgruppe wurde die Verteilung und Bewegung von Zellen parallel in zwölf wachsenden Zebrafisch-Embryonen mit der so genannten Lichtscheibenmikroskopie (SPIM) beobachtet. Dazu wird Laserlicht zu einer hauchdünnen Ebene gebündelt, mit der man die Probe durchleuchtet. Innerhalb von nur zehn Sekunden wird aus den Daten der mikroskopierten Embryo-Kugel eine Karte aller markierten Zellen erstellt – mittels Projektion wird aus dem Globus eine Weltkarte des Lebens. Die Information aus allen zwölf Experimenten wird schließlich in einer Darstellung der Bewegungsabläufe in allen Embryonen verschmolzen.

Originalpublikation: Nature Communications; High-speed panoramic light-sheet microscopy reveals global endodermal cell dynamics, Benjamin Schmid, Gopi Shah, Nico Scherf, Michael Weber, Konstantin Thierbach, Citlali Pérez Campos, Ingo Roeder, Pia Aanstad, Jan Huisken; doi:10.1038/ncomms3207

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