Fluoreszenzmikroskopie für alle!

Mit ihren Spezialmikroskopen können Experimental­physiker bereits einzelne Moleküle beobachten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Licht­mikroskopen müssen die rohen Bild­daten mancher ultra­hoch­auflösender Geräte aber erst bearbeitet werden, damit ein Bild entsteht. Für die ultra­hoch­auflösende Fluoreszenz­mikroskopie, die auch an der Universität Bielefeld in der bio­physikalischen Forschung zum Einsatz kommt, haben nun Mitarbeiter der Arbeits­gruppe Bio­molekulare Photonik eine neue, offene Software­lösung entwickelt, um Rohdaten schnell und effizient bearbeiten zu können.

Herkömmliche Lichtmikroskopie kann nur eine definierte untere Auflösungs­grenze erreichen, die durch die Beugung des Lichts auf zirka einen viertel Mikro­meter beschränkt ist. Die hoch­auflösende Fluoreszenz­mikroskopie ermöglicht es, Bilder mit einer Auflösung deutlich unter dieser physikalischen Grenze zu erhalten. Für die Entwicklung dieser für die bio­medizinische Forschung wichtigen Schlüssel­technologie wurden Stefan Hell, Eric Betzig und William Moerner 2014 mit dem Nobel­preis ausgezeichnet. Aktuell nutzen Forschende in diesem Bereich unter anderem die strukturierte Beleuchtung, um eine erhöhte Auflösung zu erzielen. Dies ist momentan eines der am weitesten verbreiteten Verfahren, um dynamische Prozesse in lebenden Zellen darzustellen und abbilden zu können. Diese Methode erreicht eine Auflösung von 100 Nano­metern mit hoher Bildrate, gleichzeitig werden die Proben beim Messen geschont. Diese Methode der hochauflösenden Fluoreszenz­mikroskopie wird auch in der Arbeits­gruppe Bio­molekulare Photonik an der Biele­felder Fakultät für Physik erfolgreich ein­gesetzt und weiter­entwickelt, zum Beispiel um die Funktion der Leber oder Ausbreitungs­wege des HI-Virus zu untersuchen.

Die mit dieser Methode aufgenommenen Rohbilder lassen sich allerdings nicht sofort von den Wissenschaftlern nutzen. „Die Mikroskopie-Methode erfordert eine sehr aufwändige, mathematische Bild­rekonstruktion der aufgenommenen Daten. Erst hierdurch entsteht aus den im Mikroskop auf­genommenen Roh­daten ein hoch­auflösendes Bild“, erläutert Thomas Huser, Leiter der Bielefelder Arbeits­gruppe Bio­molekulare Photonik. Da dieser Schritt ein mathematisch komplexes Verfahren benutzt, das bisher nur wenigen Forschern zugänglich war, gab es bislang keine offene, für alle Forschenden einfach verfügbare Software­lösung. Huser bewertet das als große Hürde, um die Technologie nutzen und weiter­entwickeln zu können. Diese Lücke füllt nun die in Bielefeld entwickelte Software.

Marcel Müller aus der AG Biomolekulare Photonik ist es gelungen, eine solch universell einsetzbare Software zu erstellen. „Forscher weltweit arbeiten am Bau neuer, schnellerer und empfindlicherer Mikro­skope zur strukturierten Beleuchtung, vor allem zur zwei­dimensionalen Abbildung lebender Zellen. Für die notwendige Nach­verarbeitung müssen sie nun nicht mehr aufwändig eigene Lösungen entwickeln, sondern können direkt unsere Software nutzen, und dank der quelloffenen Verfügbarkeit auch auf ihre Probleme anpassen“, erklärt Müller. Die Software steht der weltweiten Forschungs­gemeinschaft frei als Open-Source-Lösung zur Verfügung und wurde schon kurz nach ihrer Ankündigung von Forschern vor allem in Europa und Asien mehrfach angefordert und installiert. „Wir haben bereits viele positive Rück­meldungen bekommen“, sagt Marcel Müller. „Das spiegelt auch den Bedarf für diese Neu­entwicklung wider.“

U. Bielefeld / DE