*33C3 Vorspannmusik*
Herald: Ich begrüße jetzt André Lampe.
*Applaus*
Er ist Laserphysiker, was ziemlich großartig klingt, Wissenschaftskommunikator
und erfolgreicher Science-Slammer. Und er guckt heute mit uns auf die kleinen Dinge
im Leben. Und obwohl es ein sehr großes Bild ist, ist es nicht Big Picture,
sondern Hochauflösungsmikroskopie. Es geht um Bilder, Messergebnisse und wie sie
zusammenhängen. Und wie unser Denken eigentlich von Wahrnehmungen geprägt wird.
Eine große Runde Applaus und los gehts!
*Applaus*
André Lampe: Dankeschön. Ja schönen guten Morgen. Fangen wir direkt mal an.
Erst mal zu mir: Warum stehe ich hier überhaupt? Ich bin Physiker, der in die
Biochemie gewechselt ist, um ein Mikroskop zu bauen. Das habe ich neulich mal einer
Comiczeichnerin erzählt und das hat irgendwie eine halbe Stunde gedauert, was
ich jetzt gerade in einem Satz zusammengefasst habe. Und dabei ist dieses
Bild entstanden. Das ist eine ganz, ganz tolle Künstlerin, folgt Ihr auf Twitter
und ich bedanke mich noch mal recht herzlich für dieses großartige Bild, was
sie gemacht hat. Ja also ich habe in der Physik angefangen und habe dann irgendwie
meinen Weg in die Biochemie gefunden und angefangen, Mikroskope zu bauen. Der Talk
heißt: "Es geht um die kleinen Dinge" und jetzt gucken wir uns erst mal an, welche
kleinen Dinge ich meine. Hier habe ich mal ein Centstück mitgebracht. Und da drauf
kann man so erkennen, da habe ich ein kleines Stück Glas drauf gelegt, ein
Deckgläschen, auf dem Zellen angewachsen sind. Das können wir so noch nicht
erkennen, einfach so mit einer Kamera fotografiert, da müssen wir schon unser
erstes Mikroskop hernehmen und das wäre ein Phasenkontrast-Mikroskop, und da sieht
das erste Bild so aus. Da kann man so ein bisschen auf der rechten Seite erkennen:
Ja, da sind irgendwelche kleinen Flecken. Links kann man noch die Rundung von dem
Centstück erkennen. Damit man so ein Gefühl für die Größe bekommt. Wenn ich
da jetzt weiter reinzoome, mit 20-facher Vergrößerung, da kann man schon ein
bisschen mehr von den Zellen sehen, und bei 40-facher Vergrößerung kann man
tatsächlich die Kerne erkennen und auch ein bisschen was von der Zellperipherie.
Wenn man jetzt mehr Details erkennen möchte, dann kann man nicht mehr
Phasenkontrast-Mikroskopie machen, da muss man Fluoreszenz machen. Man färbt Dinge
in der Zelle an, beleuchtet sie dann, nimmt dieses Licht auf und kann dann halt
verschiedene Strukturen in der Zelle farbig darstellen. Und wir bleiben bei
derselben Vergrößerung wie bei der 40-fachen Phasenkontrast-Mikroskopie und
wechseln zur Fluoreszenz. Und da fängt es dann irgendwie an, wirklich schöne Bilder
zu liefern, weswegen ich auch irgendwie dieses Feld sehr, sehr liebe. Und wenn wir
da jetzt in so eine Zelle noch mal ein Stück weiter reinzoomen, links bisschen
Übersichtsbild und rechts schon eine Teilansicht von einer Zelle. Dann kann
man irgendwie sehen, ja, okay, da ist eine Menge los in so welchen Dingern. Und
wenn ich da jetzt noch weiter reingehe, und zwar so weit, dass ich wirklich nur
interne Zellstrukturen mir angucke, dann wird's irgendwie.. hmmm.. verschwommene
Spaghetti. Bevor ich erkläre, warum die verschwommen sind: Was sind das überhaupt
für Spaghetti? Das, was ich da angefärbt habe, sind Mikrotubuli. Die sind ein
wichtiger Teil vom Zytoskelett, also vom Skelett der Zelle, damit sie ihre Form
bewahren kann. Und die sind aus Proteinen aufgebaut, das ist so ein Ring aus 13
Unterstrukturen, die wie so eine Wendeltreppe nach oben gehen. Und der
Durchmesser von den Dingern ist 25 Nanometer. Jetzt kann man allerdings auf
so einem Mikroskopiebild, was auf der rechten Seite ist, erkennen: Ja, wirklich
25 Nanometer sind die nicht, wenn man sich den Messbalken, den Scale Bar, anguckt,
der ist 1 Mikrometer, das passt irgendwie nicht. Die sind deutlich dicker auf dem
Mikroskop dargestellt. Und das liegt leider nicht irgendwie an einem Mangel an
Vergrößerung oder so, sondern da spielt uns die Physik ein Schnüppchen. Verdammte
Physik! Der ein oder andere hat vielleicht schon mal von einer Beugungsgrenze
gehört. Die hat Ernst Abbe ausgetüftelt, 1873, wenn mich nicht alles täuscht. Aber
viel wichtiger für die Fluoreszenzmikroskopie ist der junge Mann
da oben: Das ist Baron Rayleigh. Äh, Baron Rayleigh ... ja, ich glaube schon.
Er hat auf jeden Fall sich das Rayleigh-Kriterium ausgedacht und das war
ein Kriterium, wann man zwei punktförmige Lichtquellen noch so gerade voneinander
trennen kann, was der minimale Abstand ist. Und der ist für
Fluoreszenzmikroskopie, weil die ganzen Farbstoffe, die wir benutzen, die uns
unsere schönen bunten Markierungen machen, sind quasi punktförmige
Lichtquellen. Das ist bei uns 250 Nanometer. Kleiner können wir keine
Strukturen auflösen. Leider. Auf jeden Fall nicht mit normaler
Fluoreszenzmikroskopie. Man kann diese Beugungsgrenze jetzt allerdings ein
bisschen austricksen. Da gibt es viele Ansätze für, aber there is no free
lunch. Das heißt, man handelt sich andere Probleme ein, wenn man die Beugungsgrenze
austrickst. Drei hab ich mal mitgebracht: Das eine ist die strukturierte Beleuchtung
oder Structured Illumination Microscopy, kurz SIM. Dann Stimulierte
Emissionsverarmung, STED. Und Einzelmokül-Lokalisationstechniken, für
die letzten beiden, stimulierte Emissionsverarmung und
Einzelmolekkül-Lokalisationstechniken, gab es 2014 den Nobelpreis in Chemie. Für
die strukturierte Beleuchtung leider nicht. Was dahinter steckt, wie die die
Beugungsgrenze austricksen, das sind sehr unterschiedliche Herangehensweisen. SIM
macht das mit Fourier-Transformationen, STED schafft das mit Lasertechnik, das
heißt, die machen direkt etwas mit dem Licht, was auf die Probe fällt. Und bei
der Lokalisationsmikroskopie, da wird das über massenhaftes Anfitten von einzelnen
Signalen gemacht. Deswegen: STED ist eine total faszinierende Technik, aber ein
bisschen langweilig für unseren Kontext hier, weil SIM und die
Lokalisationsmikroskopie braucht sehr viel Rechenleistung und gute Programme, die
dahinter stecken und darüber möchte ich heute sprechen. Und ich fange mit SIM an.
Erst mal die Strukturierte Beleuchtung funktioniert auf, basierend auf dem
Moiré-Effekt oder Moiré-Pattern. Da links kann man sehen, wenn man zwei Gitter
hat und die nebeneinander verschiebt, dann entstehen lustige Muster. Das kennt man
vielleicht auch von einer Autobahn, wenn man unter einer Autobahnbrücke
langfährt und sich die beiden Geländer gegeneinander verschieben. Dann entstehen
auch solche interessanten Muster. Wer jetzt auf der rechten Seite noch nicht so
richtig viel erkennt, fangt mal an, Euren Kopf zu schütteln. Kann man da was
erkennen? Ich hoffe schon, ich hab da oben noch was Kleines: Man sollte einen Mensch
in einem roten Hoodie sehen. Das basiert auch auf diesem Moiré-Effekt. Das
irritiert so. Schüttelt Ihr den Kopf oder seht Ihr nichts?
*Lachen*
Ja, sehr schön! Okay. Das hat also funktioniert. Also man kann mit diesen
Moiré-Pattern tatsächlich verborgene Dinge sichtbar machen. Und das benutzen
wir auch in der Mikroskopie. Wir nehmen ein Gitter und beleuchten damit quasi.
Also wir projizieren ein Gitter mit unserem Anregungslicht in unsere Probe
rein, verschieben dieses Gitter, drehen es um 60°, verschieben es noch ein paar Mal,
drehen es wieder um 60° und daraus machen wir Fourier-Transformationen, aus diesen
Rohdaten. Die sehen dann so pillenförmig aus. Wenn man die alle übereinander legt,
dann entsteht so eine schöne Blume. Da fragt man sich jetzt:
Fourier-Transformation? Hä? Also das ist einfach nur eine Transformation vom Bild-
in den Frequenzraum. Das heißt, außen liegen die kleinen Frequenzen, die kleinen
Bildunterschiede, kleine Helligkeitsunterschiede, und in der Mitte
die großen. Und was hier jetzt dabei rauskommt, sind die lustigen
Blütenblätter außen. In der Mitte dieser Kreis, das wäre ein normales
Mikroskopiebild. Und SIM, diese Verschiebung und Rotation, führen dazu,
dass wir außen ein bisschen mehr Informationen aus dem Bild herauskriegen.
Und dann wird mit dieser Technik das Ergebnis daraus. Und da kann man schon
ziemlich deutlich sehen, dass da tatsächlich mehr Informationen aus so
einem Bild herausgezogen wurden. Einfach nur, weil wir ein paar Mal hin- und
hergeschoben haben und rotiert haben, also mehrere Bilder aufgenommen haben als nur
eins. Jetzt hab ich da noch ... Ach ja, genau ... Wie es funktioniert. Wir nehmen
Rohdaten, diese Verschiebungen und Rotationen, und stecken das in eine
Software rein. Hier zum Beispiel FairSIM. Das ist eine offene, freie Software, wer
Bock hat, geht mal auf Github und guckt Euch das an. Das ist ein Kumpel von mir,
mit dem ich studiert hab an der Uni Bielefeld ... ja ... Ah, keine Reaktion.
Ist ja noch früh.
*Gelächter*
Die haben eine freie Software geschrieben und es gibt für SIM, gibt es größtenteils
nur Software von Mikroskopieherstellern, die das mit ihrem Gerät verkaufen, ja.
„Hier.“ Und dann ist das eine Black Box. Und die haben jetzt sich das mal
vorgeknöpft und eine offene Software daraus gemacht, die, wenn jetzt dann
demnächst, im Februar glaube ich, das nächste Paper raus kommt, was auch Open
Access sein wird, wo sie auf GPUs rechnen, werden sie jede kommerziell verfügbare
Software schlagen. Was ich irgendwie sehr gut finde.
*Applaus*
Und zwar kommerzielle Software braucht für ein Bild zwei Minuten; die: 30 Millisekunden.
*Applaus*
Das ... Genau. Was das Schöne an dieser Technik ist aber auch: Man kann die
Rohdaten nehmen und vielleicht kommt irgendwer darauf: Ey, wir könnten das
vielleicht noch viel besser machen. Vielleicht ist dieses Gitter nicht eine
perfekte Sinuswelle und wir haben eine Korrektur dafür gebastelt und dann haben
wir eine bessere Software, eine andere Software, in die wir das noch mal
reinstecken können und dann wird unser Bild noch besser. Rohdaten sind geil! Wenn
Ihr eins mitnehmt, dann nehmt „Rohdaten sind geil“ mit, okay? Ich hab hier noch
mal ein kleines Beispiel mitgebracht. Das ist eine SIM-Aufnahme und
Lokalisationsmikroskopieaufnahmen von Leberzellen. Und tatsächlich wurde
festgestellt, dass man in der Diagnostik, also tatsächlich auf der Anwendungsseite,
da wo es relativ schnell gehen muss, tatsächlich einen Vorteil mit
Hochauflösung hat für bestimmte Krankheiten, weil die Poren in Leberzellen
die perfekte Größe haben, um das mit Hochauflösung zu untersuchen, wo man
sonst längere Laborarbeit tun musste. Das ist aus einem Paper, was auch Open Access
ist, das Video könnt Ihr Euch auch online angucken. Tut das doch mal. Von meiner
lieben Kollegin Viola Mönkemöller. Genau. So, jetzt gehts weiter zu der
Lokalisationsmikroskopie. Da hab ich drauf gearbeitet, da hab ich meine Doktorarbeit
drin geschrieben. Die Technik heißt Direct Stochastic Optical Reconstruction
Microscopy. Oder kurz: dSTORM. Find ich schön! Und es geht im Prinzip um Blinken.
Wir schütten eine Chemikalie drauf, also photochemisch klären wir das, dass die
ganzen Farbstoffe, die sich auf den Strukturen befinden, keine Lust mehr
haben. Einer von 2000 ist mal an. Aber die meisten sind in einem Aus-Zustand. Und
wenn man sich das dann auf einem Mikroskop anguckt, dann sieht das so aus. Am Anfang
dreh ich den Laser ein bisschen auf, also dafür brauch ich dann tatsächlich auch
einen Laser. Und dann gehen langsam alle aus. Und dann fängt so einzelnes Blinken
an. Und diese Signale sind tatsächlich Signale von einzelnen Molekülen. Die so
punktförmig sind. Und wenn ich diese Signale jetzt aufzeichne, so 10-20000
Bilder nehm ich davon, als Rohdaten. Und dann wird aus so einem verschwommenen
Bildchen da so ein Bild, wenn ich das in die richtige Software, RapidSTORM oder
ThunderSTORM, sehr kreative Namen, übrigens auch freie Software, kann man
sich runterladen, einfach nach googlen mit Lokalisationssoftware hinten dran, weil
ThunderSTORM, da kommt man auf andere Suchergebnisse, hab ich festgestellt. Aber
auf jeden Fall kann man, wenn man das rekonstruiert, so wie hier, dann erkennen:
Ah, das ist nicht ein Mikrotubuli, sondern das sind in der Tat zwei. Und wenn man das
auswertet, man kann die tatsächlich auseinanderhalten. Was den Biologen in mir
sehr, sehr gefreut hat. Aber was auch irgendwie ... naja ... ist ziemlich
deutlich, dass das eine Auflösungs- verbesserung ist. Wie das Ganze
funktioniert, habe ich mal ... herzlichen Dank an Ricardo Henriques, der dieses
tolle Video zusammengeklöppelt hat. Wenn man das Blinken vom Eiffelturm aufzeichnet
mit sehr, sehr vielen Bildern, dann fängt man an, erst mal quasi die Signale
zusammenzusuchen, genau so ist es auch in der Zelle, und dann rekonstruiert man das
Bild Pünktchen für Pünktchen für Pünktchen. Diese gefundenen Signale sind
immer noch beugungsbegrenzt, also verschmiert und unscharf. Aber wenn man
das so einzeln macht, weiß man, dass es eine Punktquelle ist und dann hängt die
Auflösung nur noch von der Anzahl der Photonen ab und nicht mehr von den
Begrenzungen, die wir mit unserer Optik haben. Und deswegen wird dadurch die
Auflösung deutlich besser. Wenn man mehr Farben machen will, dann hat man auch ein
bisschen Probleme damit. Also wir bleiben thematisch auch in Frankreich.
Chromatische Abberation führt dazu, dass man so eine Verschmierung hat. Wenn man
einen weißen Lichtstrahl nimmt, dann wird der von rot über weiß nach blau
verschmiert. Das nennt man chromatische Abberation. Das muss man normalerweise
korrigieren. Mit Registrierung. Das heißt also, man nimmt die beiden Bilder und
versucht sie wieder übereinander zu legen. Aber so eine Registrierung ist
niemals perfekt und man baut dabei Fehler ein. Ich hab in meiner Doktorarbeit eine
Technik entwickelt, die haben wir Spectral Demixing dSTORM genannt oder SD-dSTORM, da
hab ich jetzt leider keine Zeit zu, genau zu erklären, wie das geht. Aber wir
machen Farbe aus Rohdaten. Das kann man sich auch angucken, wie die Software
funktioniert. Rohdaten sind geil, ja? Noch mal! Und hier hab ich dann noch mal ein
paar Beispiele davon mitgebracht, wie das dann aussieht. Wir können damit nicht nur
zwei Farben, sondern auch 3D-Rekonstruktion machen. Das sieht jetzt
alles so ein bisschen zusammengeklöppelt aus, so ein bisschen verpixelt. Aber
tatsächlich sind wir in einer so hohen Auflösung, das glaubt man fast nicht. Und
da Ihr mir das fast nicht glaubt, will ich Euch mal einen kleinen Größenvergleich
geben. Am Anfang sind wir ja vom Cent nach unten gegangen. Den hab ich jetzt noch mal
mitgenommen. Und dieses Vesikel, diese kleine Kugel, die ich eben auf der rechten
Seite hatte, die hat einen Durchmesser von 150 Nanometer, was wirklich nicht viel
ist. Und so ein Centstück hat einen Durchmesser von 15 Millimeter. Wenn wir
uns jetzt mal vorstellen, dass so ein Vesikel, 150 Nanometer, eigentlich ein
Stecknadelkopf ist, der 3 Millimeter Durchmesser hat, dann müsste zum
Vergleich das Centstück eine Größe von 300 Meter haben oder drei Fußballfelder.
Und zur Erinnerung von einem Bild vom Anfang: Diese Stecknadelköpfe oder
Vesikel wären diese grünen, ver- schwommenen Pünktchen, die man am
Anfang in der normalen Fluoreszenz- mikroskopie gesehen hat. Das
heißt, wir sind schon echt ziemlich gut dabei, mehr Details aus diesen Messdaten
rauszuholen. Das führt dazu, dass es wahrscheinlich eine gute Idee ist,
Mikroskope selber zu bauen. Weil so ‘n Spectral Demixing dSTORM, SD-dSTORM, gab
es nicht. Hier hab ich mal ein Timelapse mitgebracht, wie wir unser tolles
Mikroskop, was wir zusammengebastelt haben, gerade umziehen in einen neuen
Raum. Manche Leute sagen, besonders so in den Lebenswissenschaften: „Do it
yourself, Hacking, Tinkering, DIYbio *tut erschrocken*
das macht man doch nicht! Habt Ihr nicht genug Geld, dass Ihr Euch das bestellen
könnt?“ Und ich sag: Basteln ist Wissenschaft! Und Wissenschaft ist Basteln!
*Applaus*
Das gehört dazu! Sonst gibt's keinen Fortschritt oder sonst hätten wir diese
tollen Techniken nicht. Viele dieser Dinge sind 2006 bis 2008 überhaupt erst
erfunden worden, weil es ein paar bekloppte Physiker gab, die mit Biologen
sich zusammengetan haben und überlegt haben: Hey, wie können wir die Auflösung
besser machen? Also ich kann das nicht verstehen und jeder, der das denkt, sollte
vielleicht noch mal kurz drüber nach- denken und mir jetzt weiter zuhören.
Dieses Mikroskop-selber-Basteln funktioniert, weil es da auch eine offene
Softwarelösung gibt, nämlich µManager, basiert auf ImageJ, ist nicht wirklich
wichtig, was ImageJ ist, ist eine tolle Sache, die Biologen gerne benutzen für
Bildauswertung. Aber µManager ist großartig. Damit kann man wirklich die
modernsten Mikroskope steuern, unser SD-dSTORM hat zwanzig Geräte von 12
verschiedenen Herstellern, die laufen alle über diese Software. Die wurden da
erkannt, wenn irgendjemand ein neues Gerät hat und sagt, ah da gibt’s keinen
Treiber für, dann schreibt er den, knallt das in die µManager- Community und dann
können das alle benutzen. Also großartig. Aber was auch cool ist: Dieses
Bild hier, das ist ein Bild von meinem 12-Euro-Mikroskop, was ich hier auch
mitgebracht habe. Das heißt, die Software, die die modernsten Mikroskope
ansteuern kann, kann auch das 12-Euro-Teil, was man bei dem
Onlineversandhändler seines Vertrauens bestellt, ansteuern und damit tolle Sachen
machen. Übrigens Arduino auch. Also wenn man sich seinen eigenen Mikroskoptisch
basteln will: geht! Guckt Euch das Ding an. Es gibt so ein paar Leute, die
dachten: Hey, Selber bauen, das können wir doch auf die Spitze treiben! Ein Artikel
wäre: A Blueprint For Cost-Efficient Localisation Microscopy. Und wenn man sich
das anguckt, so Lokalisationsmikroskope kriegt man von einem kommerziellen
Hersteller für 800.000 Euro. Die können dann zwei Farben und 25 Nanometer
Auflösung. Man kann das auch bauen für 20.000 mit zwei Farben, mit 40 Nanometer.
Und es ist wichtig, dass wir solche Überlegungen machen. Weil unsere Unis
können dann sagen: Hey, wir können Sachen von der Forschungsgrenze auch schon
Leuten im Studium anbieten, dass sie da mal einen Praktikumsversuch dran machen
können. Aber was das heißt für Zweit- oder Drittweltländer, wo es vielleicht
auch mal eine Universität irgendwo gibt, die Forschung machen wollen, ich glaub,
ich muss das nicht weiter unterstreichen, wenn man sich die Zahlen anguckt. Dasselbe
gilt auch für SIM. FairSIM habe ich eben schon drüber gesprochen, FastSIM ist so
eine Idee, wie man relativ günstig auch ein Structured Illumation Microscope
aufbaut. Da hat man dann so, wenn man sich das Kommerzielle anguckt, die kosten
ungefähr eine Million, so ein kommerzielles SIM-Mikroskop, kann vier
Farben, braucht für eine Bildrekonstruktion zwei Minuten. Oder man
nimmt die offene, freie Software und kauft sich seine Teile selber zusammen mit nicht
ganz so, ist halt nicht ganz so schön und mit abwischbaren Oberflächen und so
weiter, ja? Aber deutlich günstiger, 25 Kilo-Euro, drei Farben und 30
Millisekunden mit FairSIM, was ich großartig finde.
*Applaus*
Der Applaus für alle Leute, die in diesem Gebiet arbeiten. Also ich geb das total
gerne weiter. Ich treffe die auch bald wieder in zwei, drei Wochen. Wenn sie
nicht auch gerade zugucken. Hallo! Warum spielen so wenige mit Mikroskopen? Wenn
man in Lebenswissenschaften unterwegs ist, also die Menschen, die in den
Lebenswissenschaften forschen, kümmern sich meistens erst um ihr Experiment, ihre
Probe, um das Stück kleine Leben, die Zellkultur, Zelle, die man da hat, die man
drei Wochen hegt und pflegt, bis man damit ein Experiment macht. Da hat man irgendwie
den Kopf voll. Manchmal hat man auch ganz andere Ideen, die gar nichts mit
Bildauswertung oder mit Mikroskopen zu tun haben. Zum Beispiel sich eine Banane in
den Kopf zu stecken oder so. Das funktioniert alles etwas langsamer. Dieser
ganze Gedanke von Open Data, Open Source, dass wir die Software frei zugänglich
machen. Aber ich merke immer mehr, dass es anders eigentlich nicht geht. Und was ich
erzählen will, ist: Es geht hier weniger um Bilder bei der
Hochauflösungsmikroskopie, sondern es geht um Daten. Und es geht darum, das
alles offen zu machen. Weil wir brauchen gute Leute, die viel besser Software
schreiben können als wir das tun. Ich bin Physiker! Mein Gott, ja? Also
Programmieren ist für mich so Hammer und Meißel, ja? Also da kommt dann immer nur
eine Steinskulptur raus, obwohl es vielleicht ein Gemälde sein soll. Blöder
Vergleich, lassen wir das. Zusammen- fassung: Ich habe Euch was von
einer Beugungsgrenze erzählt, wie sie uns Ärger bereitet, ich hab Euch gesagt, wie
bessere Rechner, bessere Softwarekultur, aber auch moderne Kameras und im
Allgemeinen bessere Technik dazu führt, dass wir Hochauflöungstechniken wie SIM
und dSTORM haben und dass wir günstige Eigenbauten deswegen auch erstellen
können. Es geht hauptsächlich um die Daten. Man muss Mikroskopie als
Datensammlung begreifen und nicht zwangsläufig als etwas, was Bilder macht.
Rohdaten sind geil! Zum dritten Mal. Ich hoffe, jetzt sitzt es. Und wir
Wissenschaftler sind, was das angeht, ein bisschen langsam. Es gibt relativ viele,
die angefangen haben, ihre Software offen rauszugeben, die immer mehr Open Access
publizieren, die immer mehr Daten auch ins Internet stellen. Das muss noch mehr
werden. Habt Geduld mit uns Wissen- schaftlern. Aber es wird immer mehr
Open Science und dann kann jeder mitspielen. Und ich lade jeden herzlich
ein, der ein bisschen Liebe für Bildrekonstruktion und Programmieren in
der Richtung hat, sich die Sachen, die ich heute vorgestellt habe, mal anzugucken.
Vielleicht habt Ihr eine coole Idee, auf die wir in unseren Laboren gar nicht
gekommen sind. Dann bleibt wir wohl nichts Anderes zu sagen als: Herzlichen Dank
fürs Zuhören. Ich treib mich rum an einem kleinen Assembly, Science,
Hacking & Communication, das ist beim Sendezentrum an der Garderobe.
Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit!
*Applaus*
Herald: Danke noch mal für den Extraapplaus für Open Science, die Technikgeschichte und
Wissenschaftsgeschichte, wie alles zusammenhängt. Wir werden Zeit haben für
vier Fragen. Signal Angel, gibt’s was aus dem Internet vielleicht? Leider nein.
Hier links und rechts sind die Mikrofone. Ich rufe auf, wir starten mit Dir.
André: Gibst Du mir ... Du kannst sofort Deine Frage stellen. Eine Sache wollte ich
noch sagen. Ich hab hier gerade µManager laufen auf diesem crappy 12 Euro ...
da hab ich ein Centstück drunter und selbst mit 12 Euro ist eine Vergrößerung
ziemlich gut möglich, die einen schon bisschen beeindruckt. Verdammt, wo ist der
Stern? Ah, da sieht man eine Spitze. Ja, Software, die teure Mikroskope treibt,
kann auch 12 Euro treiben. Also guckt Euch das an. Okay, jetzt bitte, Deine Frage.
Frage: So eine simple Frage für meine Verhältnisse: Du hast gesagt, dass Du
mehrere Fotos machen musst, und dann packst Du die alle zusammen, und dann hast Du ein
Gesamtbild. Was passiert, wenn die Dinge sich bewegen unter Deinem Mikroskop?
André: Das ist, also ... Wichtige Frage. Wenn man sich irgendwelche Dynamiken in der
Biologie angucken muss, muss man natürlich zügig die Bilder machen. Mit SIM, ich hab
ja eben so am Anfang gesagt, wenn man Hochauflösung macht, handelt man sich ganz
andere Probleme ein. Wenn man diese strukturierte Beleuchtung macht, dann macht
man 15 Bilder. Also fünf Verschiebungen, eine Rotation, fünf Verschiebungen,
eine Rotation, fünf Verschiebungen. Wenn man es schafft, diese 15 Bilder
schnell genug zu machen, ich sag mal innerhalb von 20 Millisekunden, und genug
Licht da raus bekommt, dann hat man, wenn man das schnell rekonstruieren kann, hat
man die Möglichkeit, daraus tatsächlich Dynamiken in der Biologie zu beobachten.
Wenn ich 20.000 Bilder machen muss, dann bin ich jetzt nicht so in einer Lage, sehr,
sehr schnelle Prozesse zu beobachten. Aber ich sag mal mit modernen CMOS-Kameras gibt
es schon so die ersten Versuche, diese Lokalisationsmikroskopie zu machen. Man
nimmt in einem Burst 1000 Bilder auf und rekonstruiert dann und dann hat man pro
Sekunde vier Bilder. Damit kann man - hochaufgelöste - , damit kann man schon
anfangen, langsame Dynamiken sich anzugucken. Aber ja. Im Prinzip sind diese
Mikroskopietechniken, besonders die Lokalisierungsmikroskopie: Man tauscht
Auflösung gegen Zeit. Das heißt das, was man im Raum besser auflöst, verliert man in
der Messzeit. Also für so ein Zweifarbenbild, was da so gedreht hat, das hat so zehn
Minuten gebraucht, um das Bild zu machen.
Herald: Okay, bitte hinten an der Vier.
Frage: Ich hab eine Frage. Wie willste denn bei selbstgebauten Mikroskopen
Reproduzierbarkeit von Ergebnissen machen?
André: Man kann ja ... Eigentlich ist es so: Selbst die kommerziell Gebauten sind jetzt
ja nicht zwangsläufig das, was so ein Standardgerät ist, ja? Also wenn ich da
beim Selbstgebauten, okay, das hat vielleicht eine Seriennummer,
aber die ist dann 3. Aber ähm ...
Frage: Du hast Optiken, die sind schon im stärkeren Maße standardisiert, als wenn Du
irgendwas selber zusammenklebst.
André: Nee, also so selber zusammenklebst ... Sagen wir es mal so: Warum diese Sachen,
die ich da vorgestellt habe, immer noch so im 20.000-Euro-Bereich liegen, ist: Man
muss ein gutes Objektiv nehmen. Und da nimmt man ein Standardobjektiv und das
ist das Einzige daran, wo ’s dran hängt und womit es steht und fällt. Und Kamera
und alle Optik dazwischen und so, da hat man, da benutzt man auch die sagen wir mal
die normalen Fehlerstandards und dann legt man natürlich erst mal, wenn man ein
Mikroskop gebaut hat, charakterisiert man seinen Aufbau, macht Testmessungen und
dann funktioniert es. Dann sind die Dinger reproduzierbar. Aber die liefern tatsächlich
überraschend gute Ergebnisse. Also bei manchen Sachen denkste so: Oh, zusammengebaut,
dann gucken wir mal ... Hm! Ach, sieht ja aus wie ein richtiges Mikroskop. Aber ist
ja eigentlich auch ein richtiges Mikroskop. Man darf nicht so viel Angst davor haben,
irgendwie Sachen selber zu basteln. Vernünftige Testmessungen, dann führt das
auch zur Reproduzierbarkeit. Aber das gilt auch für die kommerziellen Systeme: Wenn
die nicht nachweisen, dass sie stabil sind, dann ... *schulterzuck*
Beantwortet das Deine Frage?
Herald: Hier vorne in Blau.
Frage: Es gibt da verschiedene Techniken, wie schon versucht wurde, mit konventionellen
Mikroskopen in Anführungsstrichen das Auflösungslimit zu erhöhen. Emulsion oder
andere Wellenlängen benutzen. Ich hab gesehen, Ihr benutzt hauptsächlich ...
Also war das tatsächlich grün oder war das nur eingefärbt? Und gibt es da schon
Versuche, das jetzt mit UV oder mit vielleicht Extrem-UV zu machen und vielleicht
auch mit Emulsionen, dass man dann halt noch mal die Auflösung, also ich weiß
nicht, was, womit diese 150 Nanometer hinbekommen wurden. Ob Ihr da halt, ob es
da auch in die Richtung Fortschritte gibt?
André: Ähm die Wellenlänge hilft Dir nicht wirklich viel. Also das so auf
konventionelle Art und Weise zu machen. Weil sagen wir mal: Wenn man jetzt überlegt,
okay, ich könnte an der Wellenlänge schrauben, damit ich eine bessere Auflösung
habe. Weswegen will ich das tun? Damit ich keine Zeit verschwende, wahrscheinlich.
Also weil ich mir Leben angucken will. Wenn ich mit harter UV-Strahlung auf lebende
Zellen ... Das geht relativ nur einen sehr kurzen Zeitraum gut. Beziehungsweise
wenn eine Zelle in der Lage ist, relativ schnell zu migrieren, dann läuft die vor
dem Laser auch weg.
*Lachen*
Kein Witz! Also die kann man jagen. Das ist ...
*Lachen*
Ey, wir müssen auch mal Spaß im Labor haben!
*Lachen, Applaus*
Also Wellenlängenspielerei, da hilft jetzt nichts zwangsläufig, weil bei SIM ist das
so ein bisschen, dass man da gerne mal mit 405 Nanometer benutzt, das ist so der
bestaufgelöste Kanal, wo man das Gitter am engsten machen kann. Aber richtig in den
UV-Bereich geht man jetzt nicht rein. Es gibt für Standardmikroskope noch andere
Ansätze, zum Beispiel Confocal- oder Deconvolution-Mikroskopie, wo man dann
halt im Nachheinein halt auch so ein paar Sachen rausrechnet. Aber wenn man wirklich
so auf diese Größen kommen will ... Bei dieser 150-Nanometer-Kugel, bei diesem
Vesikel, war’s halt so: Wenn man da genau hinguckt, dann kann man auch sehen, das
Ding ist hohl innen drin, das heißt ich hab also Strukturen, die deutlich kleiner
sind, die ich damit auflöse, und das machen wir mit rotem Licht. Also wir haben
das mit 643 Nanometer geimaget. Das heißt also, da ist die Wellenlänge gar nicht so
wichtig. Es geht darum, dass möglichst viele Photonen rauskommen. Davon hängt in
dem Fall unsere Auflösung ab.
Herald: Okay. Letzte Frage aus dem Internet. Der Signal Angel sitzt dort.
Signal Angel: Das Internet hat die Frage nach der Größe, die so ein Mikroskop für
25 Nanometer Auflösung haben muss. Ich würde das ganz gerne in eigener Sache
erweiteren: Wie verhalten sich denn so Größe und Komplexität zwischen den
Kommerziellen und einem Selbstbau?
André: Sagen wir’s mal so: Das sind so zwei Seiten einer Medaille. Wenn ich ein
kommmerzielles Mikroskop da stehen habe, die verkaufen so ein Mikro ... die dürfen
so ein Mikroskop gar nicht verkaufen, wenn Du theoretisch in der Lage bist, durch die
Okulare durchzugucken und drei Laser anzumachen, die auf die Probe scheinen.
Macht total Sinn, dass man das nicht darf, ja? Weil ansonsten ... man hat da halt nur
zwei Augen, die kann man, das ist so ein bisschen kompliziert. Beziehungsweise man
macht dann auch die Geräte etwas größer, weil sie temperaturstabil sein sollen, weil
es auch eine Wertigkeit haben soll, ja, beziehungsweise man möchte in der Fertigung
auch immer die Standardkästen benutzen. Bei Eigenbaumikroskopen hab ich den Vorteil:
Wofür brauch ich Okulare, wenn ich weiß, ich will mit dem Ding nur Hochauflösung
machen? Ich muss da gar nicht durchgucken, ich hab meine Beleuchtung perfekt auf
meine Kamera abgestellt, ich guck immer auf den Monitor. Erstens Lasersicherheit
total super, weil dann komm ich gar nicht in die Versuchung, durchzugucken und mich
Laserlicht auszusetzen. Dann seh ich’s immer nur auf der Kamera. Aber
dementsprechend sind die Philosophien, wie man sowas selber baut und aufbaut,
vollkommen andere. Man kann sich da irgendwo in der Mitte annähern, aber tatsächlich das,
woran man sehr viel Geld spart, sind so große Verpackungen, sehr schwere stabile
Stative, wo man dann viele Möglichkeiten hat, Filter einzusetzen und so weiter und
so fort. Wo man einfach nur einen Filter reinklickt, den dreht, die Software erkennt
den und dann klickt man auf drei Dinge ... Bei einem Selbstgebauten ist es dann halt
so, da muss man eine Schraube lösen, muss den reinfummeln in eine Halterung, muss
dann wieder gucken, ob der Strahlengang passt und so. Das ist eventuell ein bisschen
aufwendiger und nicht wirklich schön und user-friendly. Aber da findet man immer
Lösungen. Natürlich ist in diesen hohen Kosten auch Maintenance und Wartung und
so ein bisschen mit drin und natürlich hat man da eine Garantie, die man beim
Selbstbau nicht hat. Definitiv. Ändert nichts an dem horrenden Preisunterschied.
Herald: Okay. Ganz vielen Dank, André, für Deinen tollen Vortrag. Wer sich für Physik
interessiert: Es geht hier gleich auch weiter mit dem CERN und Big Data, Physics
und Computing. Noch mal einen großen Applaus für Dich.
*Applaus*
*Abspannmusik*
Untertitel erstellt von c3subtitles.de im Jahr 2017. Mach mit und hilf uns!