Jahresbericht 2018-2019

Lehrstuhl für Physikalische Chemie I (Nanobiophotonik ) Prof. Dr. Rainer Heintzmann Forschungsschwerpunkte  Moderne optische Mikroskopie für biomedizinische Fragestellungen  Einsatz und Entwicklung von höchstauflösender Fluoreszenzmikrokopie (SIM, dSTORM, etc.) in Biologie und Medizin  Hyperspektrale Raman-Bildgebung liefert Orts- und Spektralinformation für medizinische Forschung  Günstige Mikroskope für Forschung und Bildung mittels 3D-Druck und Smartphones  Bildverarbeitung von Mikroskopiedaten, insbesondere Rekonstruktion von SIM-Daten  Lösung von inversen Problemen in der Mikroskopie (z. B. Bild-Dekonvolution und Rekonstruktion von 3D-Bildern) mit neuronalen Netzwerken Ein wesentlicher Teil der Forschung in unserer Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit modernen Methoden der Fluoreszenzmikroskopie, darunter insbesondere auch solche für höchstaufgelöste Bildgebung jenseits des Abbe-Limits. Ein zentra- les Thema ist weiterhin die strukturierte Beleuch- tungsmikroskopie (SIM). So haben wir als Teil des SFB „ReceptorLight“ und in Kooperation mit der Gruppe von Thomas Ach in Würzburg unser selbstentwickeltes SIM-System für schnelle Mehrfarbenbildgebung in die Anwendung Höchstauflösende Mikroskopie jenseits des Abbe-Limits (Rezeptoren auf Neuronen und Bildgebung von altersbedingter Makuladegeneration AMD [1]) überführt. Auch die Optimierung der Rekonstruk- tion von SIM-Daten ist ein wichtiges Forschungs- feld [2, 3]. So konnten wir unter anderem einen wichtigen Beitrag zur Identifikation und Ver- meidung von Bewegungsartefakten in der SIM-Bildgebung leisten [4]. Weiterhin sind in unserer Gruppe mit dSTORM und DNA-PAINT mehrere Methoden der Einzel- molekül-Lokalisationsmikroskopie etabliert, die mittels Fluoreszenzmikroskopie eine Auflösung von wenigen 10 nm ermöglichen. In Kooperation mit externen Partnern kommen diese Methoden z. B. in der Krebsforschung zum Einsatz. Des Weiteren entwickeln wir zum einen Ansätze zur weiteren Verbesserung der Auflösung durch neu- artige holographische Beleuchtung [5], als auch sequentielle Färbetechniken zur höchstauflösen- den Bildgebung einer großen Anzahl von Farben. [1] Mohammed, T., et al., Vision 2 (2018) 38, doi: 10.3390/vision2040038. [2] Karras, C. et al., Opt. Commun. 436 (2019) 69, doi.org/10.1016/j.optcom.2018.12.005. [3] Ingerman, E.A., et al., Journal of Microscopy 273 (2019) 3, doi: 10.1111/jmi.12753. [4] Förster, R., et al., Opt. Expr. 26:20680 (2018), doi:10.1364/OE.26.020680. [5] Jügler, A., et al., Frontiers in Optics / Laser Science, OSA Technical digest (2018), paper FM4E.5, doi: 10.1364/FIO.2018.FM4E.5. Abb.1. Aktin (rot) und Zellkern (blau) einer HeLa-Zelle, Vergleich von normaler Fluoreseszenzmikroskopie (oben) mit SIM (unten). 70 — FORSCHUNG