Eine der schnellsten Techniken, um die Auflösungsgrenze der klassischen Lichtmikroskopie zu überwinden, ist die hochauflösende strukturierte Beleuchtungsmikroskopie. Sie macht Details sichtbar, die etwa hundert Nanometer groß sind. Die Daten wieder in Bilder zu übersetzen, kostete bislang allerdings viel Zeit. Ein Forscherteam der Uni Bielefeld, des Leibniz-
Die Forscher nutzen Grafikkarten, um kleinste Zellbestandteile in Aktion zu beobachten — in Echtzeit und mit einer sehr hohen Bildfrequenz. „Die Bilddaten lassen sich etwa zwanzigmal schneller rekonstruieren als es auf einem PC dauern würde“, erläutert Rainer Heintzmann vom Leibniz-
Bei dem fluoreszenzmikroskopischen Verfahren werden Objekte über ein spezielles Muster mit Laserlicht bestrahlt. Es regt besondere, fluoreszierende Moleküle in der Probe an, sodass sie Licht in einer anderen Wellenlänge wieder abgeben. Die mikroskopische Aufnahme zeigt dann dieses abgestrahlte Licht. Es wird zunächst in mehreren Einzelbildern aufgenommen und dann als hochaufgelöstes Bild auf einem Computer rekonstruiert. „Vor allem der zweite Schritt hat bisher sehr viel Zeit gekostet“, sagt Andreas Markwirth von der Uni Bielefeld. Indem sein Forscherteam für das neue Mikroskop Parallelrechner-
Eine minimale Verzögerung von 250 Millisekunden sei für das menschliche Auge fast nicht wahrnehmbar. Auch die Rohdaten lassen sich mit dem neu erforschten Mikroskop schneller erzeugen. „Das macht es möglich, Proben schnell zu vermessen und bereits während eines Experiments Versuchsbedingungen sofort anzupassen, anstatt diese erst im Nachhinein auswerten zu können“, beschreibt Heintzmann den praktischen Nutzen der neuen Technik.
Für ihre Studie haben die Wissenschaftler das Verfahren an biologischen Zellen getestet und die Bewegungen von Mitochondrien aufgezeichnet. „Wir konnten ungefähr sechzig Einzelbilder pro Sekunde erzeugen – das ist eine höhere Bildfrequenz als bei Kinofilmen. Zwischen Messung und Bild liegen weniger als 250 Millisekunden, daher erlaubt die Technik Echtzeitaufnahmen“, so 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 Biologen, solche Strukturen zu erforschen“, so 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.
Leibniz-IPHT / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
A. Markwirth et al.: Video-rate multi-color structured illumination microscopy with simultaneous real-time reconstruction, Nat. Commun. 10, 4315 (2019); DOI 10.1038/s41467-019-12165-x - Abt. Mikroskopie (R. Heintzmann), Leibniz-Institut für photonische Technologien, Jena
- Nanobiophotonik (R. Heintzmann), Institut für physikalische Chemie, Chemisch-Geowissenschaftliche FakultätFriedrich-Schiller-Universität Jena
- AG Biomolekulare Photonik, Fklt. für Physik, Universität Bielefeld
