Innovation im Bereich der Fluoreszenzmikroskopie am KFG

Im Frühjahr dieses Jahres freute sich die Fachschaft Biologie über ein weiteres Fluoreszenzmikroskop, das als großzügige Spende den Schulalltag bereichert. Das Gerät wurde der Schule, ebenso wie die beiden Vorgängermodelle von einem großzügigen anonymen Spender, zur Verfügung gestellt.

Verbunden mit der Installation des neuen Gerätes war die Rückgabe des ältesten Fluoreszenzmikroskops, so dass die Schule weiterhin über zwei dieser außergewöhnlichen und leistungsstarken Geräte verfügt.

BIO2020_Fluoreszenzmikroskopie_1 (c) KFG

Das Axioplan 2 bietet zahlreiche Möglichkeiten der Bildverarbeitung, beispielsweise können mit geringem Aufwand dreidimensionale Darstellungen mikroskopischer Objekte erstellt werden. Für den Unterricht ist es besonders angenehm, dass das neue Fluoreszenzmikroskop neben der hochauflösenden Schwarz-Weiß-Kamera auch über eine Farbkamera verfügt, so dass sowohl Hellfeld- als auch Fluoreszenzbilder genauso auf den Großbildschirm übertragen werden können, wie sie im Mikroskop sichtbar sind.   

BIO2020_Fluoreszenzmikroskopie_2 (c) KFG

Das Gerät wird im Unterricht vielfältig eingesetzt, so kann man es beispielsweise in der Zellbiologie zur Darstellung der Zellorganellen sowie der Kernteilungsvorgänge eingesetzt werden. Ebenso findet es Verwendung in der Ökologie, bei der Darstellung von Einzeller, der Untersuchung und dem Nachweis von Mikroplastik - beispielweise in Rheinwasserproben - sowie der Neurobiologie, wo man die Struktur und Verschaltung der Nervenzellen nachvollziehen kann. Auch im Differenzierungsunterricht der Stufen 8 und 9 wird das Mikroskop im Rahmen des Kurses „Mikroskopie“ eingesetzt, um die Prinzipien der Fluoreszenzmikroskopie zu vermitteln. Im Kurs „Signale und Systeme“ wird das Thema „Bildverar-beitung“ in einem eigenen Workshop vertieft. Für zukünftige Projektwochen ist ein Einsatz des Gerätes im Projektbereich „Mikroplastik“ geplant.

Ein herzlicher Dank geht erneut an Herrn Dr. Josten, der das neue Mikroskop aufgebaut hat, das Kollegium im Umgang geschult hat und auch während der Lockdown-Phase für die Schülerinnen und Schüler des Differenzierungskurses einen Videoworkshop zum Thema „Bildverarbeitung in der Fluoreszenzmikrokopie“ angeboten hat.

Die Fachschaft freut sich auf den vielfältigen Einsatz des Axioplans 2 im Unterricht und hofft, dass es zukünftig auch wieder in Arbeitsgemeinschaften und Projekten gewinnbringend genutzt werden kann.  

Kerstin Holbe, Larissa Pauly und Jörg Severin

BIO2020_Fluoreszenzmikroskopie_3 (c) KFG
BIO2020_Fluoreszenzmikroskopie_4 (c) KFG

Workshop zur Bildverarbeitung im NW-Unterricht

Unter dem Halbjahresthema „Information und Kommunikation“ geht es im NW-Differenzierungs-Unterricht um die Erzeugung, Aufnahme und Verarbeitung akustischer, elektrischer und optischer Signale. Beim Differenzierungsunterricht in Naturwissenschaften (Stufen 8 und 9) soll das fächerübergreifende, experimentelle und projektorientierte Arbeiten im Vordergrund stehen. Dank einer Spende bzw. Leihgabe von zwei hochwertigen Fluoreszenz-Mikroskopen mit Personal-Computern und Auswertungssoftware konnten diese Ziele im Rahmen eines dreistündigen Workshops in idealer Weise umgesetzt werden.

Herr Dr. Josten vom Kooperationspartner Zeiss (c) KFG

Zum Einstieg stellte Herr Dr. Josten von unserem Kooperationspartner ZEISS in einer PowerPoint-Präsentation sehr anschaulich und gut verständlich vor, welche Probleme entstehen, wenn man aus einem Stapel von Schnittbildern die räumliche Lage biologischer Strukturen rekonstruieren möchte. Hierzu muss vorausgeschickt werden, dass für diese Form der Bildverarbeitung fluoreszierende Präparate und spezielle Mikroskope erforderlich sind. Mit den üblicherweise in der Schule eingesetzten Durchlicht-Mikroskopen lassen sich keine räumlichen Bilder erzeugen. Fluoreszenz-Mikroskope strahlen energiereiches Licht auf das Präparat. Innerhalb des Präparates sind interessierende Strukturen mit Antikörpern, an die ein fluoreszierender Farbstoff gekoppelt wurde, markiert worden. Die Farbstoffe nehmen das eingestrahlte Licht auf (Absorption) und strahlen energieärmeres Licht in alle Richtungen ab.  

Es entstehen innerhalb des Präparats Punkte, die in einer Farbe leuchten. Werden verschiedene Antikörper mit unterschiedlichen Fluoreszenz-Farbstoffen verwendet, entstehen mehrfarbige Bilder. Beim Mikroskopieren stellt man jeweils eine Schnittebene des Präparates so ein, dass man die Details dieser Ebene scharf abbildet. Verändert man den Abstand zwischen Präparat und Objektiv, erscheinen die vorher gesehenen Strukturen unscharf (verschwommen) und Details einer anderen Schnittebene sind erkennbar. In jeder Schärfeebene beeinflussen die Strukturen oberhalb und unterhalb dieser Ebene die optische Abbildung. Diese Strukturen verändern den Weg des eingestrahlten und des durch Fluoreszenz abgegebenen Lichtes. Aufgrund der Welleneigenschaften des Lichtes treten Beugungen und Interferenzen (gegenseitige Verstärkungen bzw. Auslöschungen) auf. Hier konnte Herr Dr. Josten in seinem Vortrag auf das Vorwissen aus dem Kurshalbjahr 9.1 zurückgreifen. Im Rahmen des Kurses „Mikroskopie“ hatten die Schülerinnen und Schüler bereits kennengelernt, dass das Strahlenmodell des Lichtes an Grenzen stößt. So lässt sich die begrenzte Auflösung aller Mikroskope nur verstehen, wenn man das Licht als Welle, ähnlich einer Wasserwelle, betrachtet. Die durch die Welleneigenschaften des Lichtes bedingten Probleme bei der Bildverarbeitung lassen sich mit Hilfe eines mathematischen Verfahrens angehen. Die Rohdaten der einzelnen Schnittbilder werden einer sogenannten Dekonvolution unterzogen, um die beschriebenen Störungen herauszurechnen und zur tatsächlichen räumlichen Struktur des Objektes zu gelangen.  

BIO2017_Bild_PraktischesArbeiten2 (c) KFG

Im praktischen Teil des Workshops wurden die erworbenen Kenntnisse angewendet. Als Objekt wurde in Vorversuchen ein Präparat, in dem Zentromere mit fluoreszierenden Antikörpern markiert waren, ausgewählt. Zentromere sind die Regionen von Chromosomen, die die Schwesterchromatiden zusammenhalten und an denen die Spindelfasern bei der Kernteilung ansetzen. Dieses und andere Präparate zu Zellorganellen, die über Immunfluoreszenz sichtbar gemacht werden, wurden uns freundlicherweise von der Firma EUROIMMUN Medizinische Labordiagnostika AG zur Verfügung gestellt. 

Aufgeteilt in zwei Untergruppen konnten die Schülerinnen und Schüler unter Anleitung an den beiden Fluoreszenz-Mikroskopen arbeiten und dabei die Objektsuche, die Vergrößerungsschritte und dem Umgang mit der AXIOVISION-Software zur Steuerung und Auswertung lernen. Es wurden 50 Schnittbilder erzeugt und gespeichert. Der YouTube-Film Zentromer-Bilderstapel zeigt die aufeinander folgenden Schnittbilder des Zentromer-Präparates. Man „schwebt“ von oben nach unten durch die 50 einzelnen Schärfeebenen. Aus den gewonnenen Rohdaten wurde zuerst ohne Dekonvolution ein räumliches Bild rekonstruiert. Die Software ermöglicht Drehungen des Bildquaders in allen Raumrichtungen. Der Film Zentromer 3D-Rohdaten zeigt ein dreidimensionales Gebilde mit grün leuchtenden „Wolken“. Der sogenannte Uhrglaseffekt ist erkennbar: Ausgehend von den hell leuchtenden Zentromeren entstehen zwei kegelförmige leuchtende Strukturen.

BIO_2017_BILD_PraktischesArbeiten1 (c) KFG

Der Film Zentromer Konvolution zeigt das rekonstruierte dreidimensionale Bild nach Durchführung der Dekonvolution. Die leuchtenden Bereiche sind eng eingegrenzt und entsprechen der tatsächlichen Größe und Anordnung der Zellorganellen. Zum Vergleich von Rohdaten und mathematisch bearbeiteten Bildern sind zwei Schnittebenen (Mittelebene 25 und Randebene 50) dargestellt. Im Rohdaten-Bild 25 sind die Zentromere innerhalb einer leuchtenden Umgebung zu sehen, während nach Dekonvolution (DCV) die nur noch die punktförmigen Zellstrukturen erkennbar sind. Im Randbereich (Ebene 50) treten optische Effekte auf, obwohl keine Zentromere mehr vorhanden sind. Diese Lichteffekte verschwinden nach der Dekonvolution vollständig. 

Vergleich von Rohdaten und mathematisch bearbeiteten Bildern (c) KFG

Zum Ende des Workshops verblieb noch Zeit, an weiteren Objekten die Möglichkeiten der Bildverarbeitung aufzuzeigen. Zwei Beispiele sollen das verdeutlichen. Das Präparat zur Kernteilung zeigt eine Dreifachfärbung von Erbsubstanz, Spindelfasern und den Eiweißen, die für Anbindung der Chromosomen an die Fasern verantwortlich sind. Im Film Kernteilung Bilderstapel wird wie beim Zentromeren-Präparat der Stapel übereinander liegender Bildebenen gezeigt. Dabei sind die unterschiedlichen Teilungsstadien gut erkennbar.

BIO2017_Bild_Beispiel1 (c) KFG

Das zweite Beispiel demonstriert die zeitliche Dimension der Bildverarbeitung. Der Film Euglena Phasenkontrast zeigt die Bewegung des Augengeißelträgers Euglena in der Phasenkontrastmikroskopie. Dieses mikroskopische Verfahren bildet über Kontrastverstärkung viele Zellstrukturen detailliert ab, insbesondere die rotierende Geißel, von der der Einzeller angetrieben wird.

Dieser Workshop wäre ohne zahlreiche Unterstützungen nicht möglich gewesen, Wir danken herzlich für die anonyme Spende bzw. Leihgabe der beiden Fluoreszenzmikroskope und die Bereitstellung der Software sowie den Support durch die Firma ZEISS. Der Förderverein des KFG und der Schulträger haben dankenswerterweise die Computer und Bildschirme zu den Mikroskopen finanziert. Der Firma EUROIMMUN Medzinische Labordiagnostik AG und verschiedenen Instituten der Universität Bonn danken wir für die freundliche Überlassung von Fluoreszenz-Präparaten. Ein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Josten von der Firma ZEISS für die hervorragende Betreuung unserer Schule und die wiederholte Durchführung von Workshops, die unsere Schülerinnen und Schüler für die Naturwissenschaft begeistern.

Dr. Jörg Severin

Zentromer Bilderstapel

Dieser Film zeigt die aufeinander folgenden Schnittbilder des Zentromer-Präparates. Man „schwebt“ von oben nach unten durch die 50 einzelnen Schärfeebenen.

Zentromer 3D Rohdaten

Dieser Film zeigt ein dreidimensionales Gebilde mit grün leuchtenden „Wolken“. Der sogenannte Uhrglaseffekt ist erkennbar: Ausgehend von den hell leuchtenden Zentromeren entstehen zwei kegelförmige leuchtende Strukturen.

Zentromer 3D Dekonvolution

Dieser Film zeigt das rekonstruierte dreidimensionale Bild nach Durchführung der Dekonvolution. Die leuchtenden Bereiche sind eng eingegrenzt und entsprechen der tatsächlichen Größe und Anordnung der Zellorganellen.

Kernteilung Bilderstapel

In diesem Film wird wie beim Zentromeren-Präparat der Stapel übereinander liegender Bildebenen gezeigt. Dabei sind die unterschiedlichen Teilungsstadien gut erkennbar.

Euglena in der Phasenkontrastmikroskopie

Dieser Film zeigt die Bewegung des Augengeißelträgers Euglena in der Phasenkontrastmikroskopie. Dieses mikroskopische Verfahren bildet über Kontrastverstärkung viele Zellstrukturen detailliert ab, insbesondere die rotierende Geißel, von der der Einzeller angetrieben wird.