Sehen, was das bloße Auge nicht sehen kann – 4 wichtige Lektüren darüber, wie Wissenschaftler die mikroskopische Welt sichtbar machen

Associate Editor für Gesundheit und Biomedizin

Professor und Direktor des Neurowissenschaftsprogramms der Northern Kentucky University

Professor für Computer- und Systembiologie, stellvertretender Senior-Vizekanzler für Wissenschaftsstrategie und -planung, University of Pittsburgh

Wissenschaftlicher Programmleiter am Gladstone Institutes, University of California, San Francisco

Außerordentlicher Professor für Neuro- und Verhaltenswissenschaften, Penn State

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Das Mikroskop ist ein ikonisches Symbol der Biowissenschaften – und das aus gutem Grund. Von der Entdeckung der Existenz von Zellen bis zur Struktur der DNA war die Mikroskopie ein wesentliches Werkzeug auf diesem Gebiet und eröffnete neue Dimensionen der lebenden Welt nicht nur für Wissenschaftler, sondern auch für die breite Öffentlichkeit.

In den Biowissenschaften, wo das Verständnis der Funktion eines Lebewesens häufig die Interpretation seiner Form erfordert, ist die Bildgebung von entscheidender Bedeutung, um Theorien zu bestätigen und noch Unbekanntes aufzudecken.

Diese Auswahl von Geschichten aus dem Archiv von The Conversation stellt einige Möglichkeiten vor, wie die Mikroskopie zu verschiedenen Formen wissenschaftlicher Erkenntnisse beigetragen hat, einschließlich Techniken, die die Visualisierung völlig außer Sichtweite bringen.

Im Laufe der letzten Jahrhunderte hat das Mikroskop eine allmähliche, aber bedeutende Entwicklung durchgemacht. Jeder Fortschritt hat es Forschern ermöglicht, immer kleinere und fragilere Strukturen und Biomoleküle mit immer höherer Auflösung zu sehen – von Zellen über die Strukturen innerhalb von Zellen bis hin zu den Strukturen innerhalb der Strukturen innerhalb von Zellen bis hin zu Atomen.

Allerdings besteht immer noch eine Auflösungslücke zwischen der kleinsten und der größten Struktur der Zelle. Der Biophysiker Jeremy Berg zog eine Analogie zu Google Maps: Wissenschaftler könnten zwar die Stadt als Ganzes und einzelne Häuser sehen, aber die Stadtteile nicht erkennen.

„Das Sehen dieser Details auf Nachbarschaftsebene ist wichtig, um zu verstehen, wie einzelne Komponenten in der Umgebung einer Zelle zusammenarbeiten“, schreibt er.

Wissenschaftler arbeiten daran, diese Auflösungslücke zu schließen. Verbesserungen an der 2014 mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Superauflösungsmikroskopie haben beispielsweise die Untersuchung langwieriger Prozesse wie der Zellteilung verbessert, indem Bilder in verschiedenen Größen- und Zeitskalen gleichzeitig erfasst werden, wodurch Details klarer dargestellt werden, die bei herkömmlichen Mikroskopen tendenziell unscharf sind.

Eine andere Technik, die Kryo-Elektronenmikroskopie oder Kryo-EM, gewann 2017 einen Nobelpreis dafür, dass sie durch Schockgefrieren noch komplexere, dynamische Moleküle sichtbar macht. Dadurch entsteht eine schützende glasartige Hülle um die Proben, während sie von einem Elektronenstrahl bombardiert werden, um ihren Fototermin zu erzeugen. Kryo-ET, eine spezielle Art von Kryo-EM, kann 3D-Bilder von molekularen Strukturen in ihrer natürlichen Umgebung erstellen.

Diese Techniken erzeugen nicht nur Bilder mit oder nahezu atomarer Auflösung, sondern bewahren auch die natürliche Form von schwer zu erfassenden Biomolekülen von Interesse. Mithilfe von Kryo-EM konnten Forscher beispielsweise die schwer fassbare Struktur des Proteins auf der Oberfläche des formverändernden Hepatitis-C-Virus erfassen und so wichtige Informationen für einen zukünftigen Impfstoff liefern.

Weitere Verbesserungen der Sehschärfe der Wissenschaft werden mehr feine Details der Bausteine ​​des Lebens offenbaren.

„Ich erwarte neue Theorien darüber, wie wir Zellen verstehen, von unorganisierten Molekülbeuteln zu kompliziert organisierten und dynamischen Systemen“, schreibt Berg.

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Mikroskopische Bilder werden oft als Schnappschüsse gerahmt – umschriebene Teile eines Ganzen, die vergrößert wurden, um ihre verborgenen Merkmale freizulegen. Aber nichts in einem Organismus funktioniert isoliert. Nach der Unterscheidung einzelner Komponenten haben Wissenschaftler die Aufgabe, aufzuzeichnen, wie sie im Makrosystem des Körpers miteinander interagieren. Um dies herauszufinden, müssen nicht nur alle Komponenten identifiziert werden, aus denen eine bestimmte Zelle, ein bestimmtes Gewebe oder ein bestimmtes Organ besteht, sondern sie müssen auch in Bezug zueinander gesetzt werden – mit anderen Worten, eine Karte erstellt werden.

Forscher haben das Gehirn kartiert, indem sie mehrere Schnappschüsse wie ein Fotomosaik zusammengefügt haben. Sie verwenden verschiedene Techniken, um einen bestimmten Zelltyp zu markieren und dann das gesamte Gehirn mit hoher Auflösung abzubilden. Schicht für Schicht entsteht bei jedem Durchlauf ein immer detaillierteres und vollständigeres Modell. Der Neurowissenschaftler Yongsoo Kim vergleicht den Vorgang mit einem Satellitenbild des Gehirns. Durch die Kombination von Millionen dieser Fotos können Forscher in das Unkraut hineinzoomen und es aus der Vogelperspektive betrachten.

Doch das Erstellen einer Karte einer Stadt, so detailliert sie auch sein mag, ist nicht dasselbe wie das Verstehen ihres Rhythmus und ihrer Atmosphäre. Ebenso verrät die Kenntnis, wo sich jede Zelle im Verhältnis zueinander befindet, nicht unbedingt, wie sie funktioniert oder interagiert. Genauso wichtig wie die Darstellung der Landschaft einer Orgel ist die Entwicklung einer funktionierenden Theorie darüber, wie alles zusammenpasst und als Ganzes funktioniert. Kim stellt fest, dass die Analyse derzeit hinter den technischen Fortschritten bei der Datenerfassung zurückbleibt.

„Unglaublich umfangreiche, hochauflösende Hirnkartierungen stellen für Neurowissenschaftler eine großartige Gelegenheit dar, gründlich darüber nachzudenken, was diese neuen Daten über die Funktionsweise des Gehirns aussagen“, schreibt Kim. „Obwohl es noch viele Unbekannte über das Gehirn gibt, könnten diese neuen Werkzeuge und Techniken dabei helfen, diese ans Licht zu bringen.“

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Jede Verbesserung der Technologie bringt gleichzeitig eine Verbesserung der erfassten Daten mit sich, sowohl qualitativ als auch quantitativ. Diese Daten sind jedoch nur insoweit nützlich, als Forscher sie analysieren können – eine hohe Granularität ist nicht hilfreich, wenn diese Details nicht erkennbar sind, und ein hoher Output ist nicht von Vorteil, wenn die Organisation zu aufwändig ist.

Automatisierte Mikroskope haben es beispielsweise ermöglicht, Zeitrafferbilder von Zellen aufzunehmen, was zu riesigen Datenmengen führt, die eine manuelle Durchsicht erfordern. Der Neurowissenschaftler Jeremy Linsley und sein Team stießen bei ihrer eigenen Arbeit zu neurodegenerativen Erkrankungen auf dieses Dilemma. Sie haben sich auf eine Armee von Praktikanten verlassen, um Hunderttausende Bilder von Neuronen zu durchsuchen und jeden Todesfall zu zählen – ein langsamer und teurer Prozess.

Also wandten sie sich der künstlichen Intelligenz zu. Forscher können ein KI-Modell trainieren, um bestimmte Muster zu erkennen, indem sie ihm viele Beispielbilder zuführen, auf interessante Strukturen hinweisen und den Algorithmus auf neue Kontexte extrapolieren. Linsley und sein Team entwickelten ein Modell, um zwischen lebenden und toten Neuronen schneller und genauer zu unterscheiden als Menschen, die für die gleiche Aufgabe trainiert wurden.

Sie öffneten auch die Blackbox des Modells, um herauszufinden, wie es tote Zellen findet, und enthüllten neue Signale des Neuronentodes, die den Forschern zuvor nicht bewusst waren, weil sie für das menschliche Auge nicht erkennbar waren.

„Durch die Eliminierung menschlicher Vermutungen erhöhen (KI-Modelle) die Reproduzierbarkeit und Geschwindigkeit der Forschung und können Forschern dabei helfen, neue Phänomene in Bildern zu entdecken, die sie sonst nicht ohne weiteres hätten erkennen können“, schreibt Linsley.

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Noch bevor sie über die Instrumente verfügten, mit denen sie Proben heranzoomen konnten, hatten Forscher ein Werkzeug in ihrem Arsenal, um die lebende Welt zu untersuchen, das sie auch heute noch nutzen: Kunst.

Vor Jahrhunderten untersuchten Wissenschaftler und Künstler Pflanzen, Tiere und Anatomie anhand von Illustrationen. Skizzen unbekannter Arten in ihrer natürlichen Umgebung halfen bei der Klassifizierung, und Zeichnungen des menschlichen Körpers förderten das Studium seiner Struktur und Funktion. Mit Hilfe der Druckmaschine machten diese künstlerischen Darstellungen – zu denen später auch der Blick unter die Linsen früher Mikroskope gehörte – wissenschaftliche Erkenntnisse über die Natur populär.

Obwohl Handzeichnungen inzwischen fortschrittlichen Bildgebungstechniken und Computermodellen Platz gemacht haben, bleibt das Erbe der Wissenschaftsvermittlung durch Kunst bestehen. Wissenschaftliche Veröffentlichungen und BioArt-Wettbewerbe heben Laborbilder und -videos hervor, um die Ehrfurcht und das Wunder der Erforschung der Natur mit der breiten Öffentlichkeit zu teilen. Der Einsatz von Visualisierungen in Klassenzimmern und Kunstmuseen kann auch die naturwissenschaftliche Kompetenz fördern, indem den Schülern die Möglichkeit gegeben wird, wie ein Wissenschaftler durch das Auge des Mikroskops zu schauen.

Der Biologe und Juror der BioArt Awards, Chris Curran, glaubt, dass die Sichtbarmachung der Prozesse und Konzepte der Wissenschaft zu einem tieferen Verständnis der natürlichen Welt führen kann, das für einen informierten Bürger erforderlich ist.

„Dass diese Bilder und Videos oft schön sind, ist ein zusätzlicher Vorteil“, schreibt sie.

Und die abstrakten Qualitäten der Wissenschaft können auf eine Weise greifbar gemacht werden, die über das Sehen hinausgeht. Proteine ​​beispielsweise können in Musik übersetzt werden, indem ihre physikalischen Eigenschaften in Klänge übertragen werden: Aminosäuren werden zu Noten, während Strukturschleifen zu Tempi und Motiven werden. Die Computerbiologen Peng Zhang und Yuzong Chen verbesserten die Musikalität dieser Kartierungstechniken, indem sie sie auf verschiedene Musikstile wie den von Chopin basierten. Folglich klingt ein Protein, das die Krebsentstehung verhindert, p53, Toccata-ähnlich, und das Protein, das an das Hormon und Neurotransmitter Oxytocin bindet, flattert mit wiederkehrenden Motiven.

Um wissenschaftliche Bilder als Kunst darzustellen, bedarf es oft nur eines Perspektivwechsels. Und viele Forscher sind sich einig, dass die Entdeckung der Poesie der Wissenschaft dazu beitragen kann, die Kunst des Lebens zu enthüllen.

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