Die Delfter Track-and-Trace-Methode sagt maximale Schärfe in der Mikroskopie voraus

Delfter Forschung

Bereits 2019 machten Delfter Forscher auf dem Gebiet der Superauflösungsmikroskopie einen großen Schritt nach vorne, indem sie die Präzision der Technik um etwa den Faktor zwei verbesserten (siehe hier† Jetzt bieten sie einen wissenschaftlichen Artikel an, der die grundlegenden Einschränkungen der Komponenten der hochauflösenden Mikroskopie hervorhebt. „Und wir stellen auch eine Berechnungsmethode bereit, die es anderen Forschern ermöglicht, wohlüberlegtere Entscheidungen zu treffen“, sagt der Delfter Doktorand und Erstautor der Veröffentlichung Dylan Kalisvaart.

Forscher unter der Leitung von Carlas Smith untersuchen die Grundlagen der superauflösenden Methode namens iterative Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie. Sie verwenden Lichtmuster, um einzelne Moleküle heranzuzoomen. Sie nutzen die Ergebnisse früherer Experimente, um die Muster der Moleküle immer näher zu bringen. Dadurch lässt sich die Bildschärfe genau dort erhöhen, wo sich die Moleküle befinden.

Kalisvaart, ein Forscher am Delft Center for Systems and Control, erklärt: „Wir zeigen (mit der sogenannten Van-Trees-Ungleichung), dass die Auflösungsverbesserung auf Vorwissen aus früheren Experimenten zurückgeführt werden kann. Damit zeigen wir, wie unter den gegebenen Umständen und Vorkenntnissen die praktischen Einstellungen eines Mikroskops sein sollten, um das beste Ergebnis zu erzielen.“

Superauflösende Mikroskopie

Die superauflösende Mikroskopie ist eine bahnbrechende Technologie, die es Forschern ermöglicht, in lebende Zellen zu blicken. Die Technik nutzt lumineszierende Proteine, die zum Beispiel in Quallen vorkommen. 2008 erhielten drei Spitzenforscher den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung und Entwicklung dieses lichtemittierenden Proteins namens GFP (Green Fluorescent Protein). Forscher können diese fluoreszierenden Proteine ​​mithilfe von Geneditierung an Moleküle anheften. Wenn Sie ein solches Protein mit einem Laser beleuchten, sendet es dann eine kleine Menge Licht aus.

Bei der superauflösenden Single Molecule Localization Microscopy (SMLM)-Methode werden Moleküle zufällig an- oder abgeschaltet. Empfindliche Sensoren machen ein Video der Lichtsignale, woraufhin die Forscher die gewonnenen Daten analysieren. Damit können sie den Ort von Molekülen sehr genau bestimmen und die Zellstruktur rekonstruieren. Mit einem gewöhnlichen optischen Mikroskop können Sie Bilder in einer Größenordnung von etwa einem halben Mikrometer erstellen. Mit superauflösender Mikroskopie gelingt Ihnen das zehnmal besser.

Entwicklung der hochauflösenden Mikroskopie

Das Gebiet der hochauflösenden Mikroskopie ist in den letzten zehn Jahren schnell gewachsen. 2014 erhielten drei weitere Forscher den Nobelpreis für Chemie für die sogenannte „Super-Resolution-Mikroskopie“. Einer der drei Gewinner war der deutsche Forscher Stefan Hell. Hell’s Lab-Forscher sagten im Jahr 2020, dass die iterative Einzelmolekül-Lokalisierungsmikroskopie die Auflösung viel mehr verbessern würde. Wissenschaftler der TU Delft zeigen, dass diese großen Auflösungsverbesserungen in der Praxis praktisch unerreichbar sind.

Kalisvaart„In der Praxis kann man höchstens eine etwa fünffache Verbesserung gegenüber der Standardtechnik erreichen. Das Feld ging weithin davon aus, dass das Potenzial viel größer war. Wir haben dieses Problem nun erstmals durch einen anderen (Bayes’schen) mathematischen Ansatz untersucht und zeigen, dass Verbesserungen in der Auflösung der Hellschen Gruppe in der Praxis nur schwer zu erreichen sind.

Wird die Veröffentlichung sein Biophysikalische Zeitschrift sehen sie das jetzt vor allem als rückschlag? „Ich sehe die Dinge ganz anders“, sagt Kalisvaart-Supervisor Carlas Smith. „Es ist wichtig, dass die zugrunde liegende Wissenschaft solide ist. Wenn die gesamte Struktur nicht gut ist, müssen Sie ins Erdgeschoss zurückkehren, um die Fundamente zu erneuern.

Helfried Beck

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