Es sind die kleinen Dinge im Leben (33c3)

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

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