SFB 755: Photonische Abbildungen auf der Nanometerskala
Biologie
Chemie
Mathematik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im SFB 755 „Photonische Abbildung auf der Nanometerskala“ wurden neue optische Methoden entwickelt und angewendet, um Struktur und Dynamik bei hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung abzubilden, auf Längenskalen im Nanometerbereich und auf Zeitskalen, die sich über viele Größenordnungen bis in den Femtosekunden-Bereich erstrecken. In Kombination mit spektroskopischer Information erweitern photonische Abbildungen die Möglichkeiten, biomolekulare Systeme und komplexe Fluide unter funktional relevanten Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Spezielle optische Ansätze ermöglichen etwa die Visualisierung der Trajektorien von markierten Makromolekülen in wässriger Lösung und in lebenden Zellen. Andere erlauben die dreidimensionale Rekonstruktion der Dichteverteilung in Zellen und Geweben, die Darstellung intermolekularer Wechselwirkungen und Kräfte, oder aber der chemischen Zusammensetzung – all dies alles weit jenseits der Auflösungsgrenzen der klassischen Mikroskopie. Folgende methodischen Forschungsfelder wurden bearbeitet: optische Mikroskopie jenseits der Beugungsgrenze (Nanoskopie), multi-dimensionale Mikroskopie, Spektro-Mikroskopie, Röntgenoptik und Röntgenbildgebung, linsenlose Abbildung durch kohärente Optik, zeitaufgelöste Röntgenbeugung, mathematische Datenrekonstruktion und die Mathematik inverser Probleme. Die intensive Zusammenarbeit zwischen den experimentellen und den mathematischen Projektgruppen haben dabei bedeutenden Fortschritt ermöglicht, sowohl im Bereich der Optik, als auch im Bereich der mathematischen Methoden. Daneben wurden auch Molekulardynamik-Simulationen verwendet, um experimentelle Daten mit atomaren Modellen zu verknüpfen. Zu den besonderen Fortschritten, die im SFB 755 erreicht wurden, gehören insbesondere: die Fokussierung von Röntgenstrahlung auf 5 nm, die optimierte Erzeugung und Nutzung kurzer Femtosekunden-EUV-Pulse für kohärente Bildgebung, eine substantielle Verbesserung der isotropen Auflösung im isoSTED-Verfahren, die Rekonstruktion der exakten Verteilung und Stöchiometrie aus der nanoskopischen Aufnahme, die Abbildung lebender Zellen im Röntgen-Dunkelfeldkontrast, erste Experimente an neuen Röntgen-Laser-Quellen, ein neues Verfahren zur Objektrekonstruktion von Einzelmolekül-Beugungsdaten aus Bildserien mit nur drei Photonen pro Beugungsbild, neue Verfahren und Experimente für die zeitaufgelöste Tomographie (4D-Abbildungen), sowie die Entwicklung der virtuellen drei-dimensionalen Histologie durch Röntgenphasenkontrastbildgebung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Arginine52 controls the photoisomerization process in Photoactive Yellow Protein, J. Am. Chem. Soc., 130(11), 3250-3251, 2008
Groenhof, G., Schäfer, L. V., Boggio-Paqua, M., Grubmüller, H., and Robb, M. A.
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High-Transmission Planar X-Ray Waveguides, Phys. Rev. Lett., 100, 184801, 2008
T. Salditt, S.P. Krüger, C. Fuhse, and C. Bähtz
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Morphological clues to wet granular pile stability, Nat. Mater., 7, 189–193, 2008
Scheel, M., Seemann, R., Brinkmann, M., DI Michiel, M., Sheppard, A., Breidenbach, B., and Herminghaus, S.
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Spherical nanosized focal spot unravels the interior of cells, Nat. Methods, 5, 539–544, 2008
Schmidt, R., Wurm, C. A., Jakobs, S., Engelhardt, J., Egner A., and Hell, S. W.
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Ullal,C. K., Schmidt, R., Hell, S. W., and Egner, A.
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Hell, S.W., Schmidt, R., and Egner, A.
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High-resolution probing of cellular force transmission, Phys. Rev. Lett., 102(16), 168102, 2009
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Bauer, F., Hohage, T., and Munk, A.
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Mitochondrial Cristae Revealed with Focused Light, Nano Lett., 9 (6), 2508–2510, 2009
Schmidt, R., Wurm, C. A., Punge, A., Egner, A., Jakobs, S., and Hell, S. W.
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Huygens principle and iterative methods in inverse obstacle scattering, Adv. Comput. Math., 33, 413–429, 2010
Ivanyshyn, O., Kress, R., and Serranho, P.
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Quantitative biological imaging by ptychographic x-ray diffraction microscopy, PNAS, 107, 529-534, 2010
Giewekemeyer, K., Thibault, P., Kalbfleisch, S., Beerlink, A., Kewish, C. M., Dierolf, M., Pfeiffer, F., and Salditt, T.
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A readily retrievable pool of synaptic vesicles, Nat. Neurosci., 14, 833– 839, 2011
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Two-color nanoscopy of three-dimensional volumes by 4Pi detection of stochastically switched fluorophores, Nat. Methods, 8(4), 353-9, 2011
Aquino, D., Schönle, A., Geisler, C., Middendorff, C. V., Wurm, C. A., Okamura, Y., Lang, T., Hell, S. W. and Egner, A.
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Convergence rates in expectation for Tikhonov-type regularization of inverse problems with Poisson data, Inverse Problems, 28, 104004, 2012
Werner, F. and Hohage, T.
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Drift estimation for single marker switching based imaging schemes, Opt. Express, 20(7), 7274-89, 2012
Geisler, C., Hotz, T., Schönle, A., Hell, S. W., Munk, A. and Egner, A.
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Intermediate Filaments in Small Configuration Spaces, Phys. Rev. Lett., 108(8), 088101, 2012
Nöding, B. and Köster, S.
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Local linear convergence of approximate projections onto regularized sets, Nonlinear Anal. Theory, Methods Appl., 75(3), 1531-1546, 2012
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Shape-constrained regularization by statistical multiresolution for inverse problems: asymptotic analysis, Inverse Problems, 28(6), 065006, 2012
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Extreme-ultraviolet light generation in plasmonic nanostructures, Nat. Phys., 9, 304-309, 2013
Sivis, M., Duwe, M., Abel, B. and Ropers, C.
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Generation and Bistability of a Waveguide Nanoplasma Observed by Enhanced Extreme-Ultraviolet Fluorescence, Phys. Rev. Lett., 111(8), 85001, 2013
Sivis, M. and Ropers, C.
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Nonconvex notions of regularity and convergence of fundamental algortihms for feasibility problems, SIAM J. OPTIM 23(4), 2397-2419, 2013
Hesse, R. and Luke, R.
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Reconstruction of extended sources for the Helmholtz equation, Inverse Problems, 29(3), 035005, 2013
Kress, R. and Rundell, W.
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Statistical Multiresolution Estimation for Variational Imaging: With an Application in Poisson-Biophotonics, J. Math. Imaging Vis., 46(3), 370-387, 2013
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Sub-5 nm hard x-ray point focusing by a combined Kirkpatrick-Baez mirror and multilayer zone plate,. Opt. Express, 21(16), 19311, 2013
Döring, F., Robisch, A., Eberl, C., Osterhoff, M., Ruhland, A., Liese, T., Schlenkrich, F., Hoffmann, S., Bartels, M., Salditt, T. and Krebs, H. U.
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Fluorescence nanoscopy by polarization modulation and polarization angle narrowing, Nat. Methods, 11(5), 579-84, 2014
Hafi, N., Grunwald, M., van den Heuvel, L. S., Aspelmeier, T., Chen, J.-H., Zagrebelsky, M., Schütte, O. M., Steinem, C., Korte, M., Munk, A., and Walla, P. J.
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Hesse, R., Luke, D.R., and Neumann, P.
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Phase retrieval for Fresnel measurements using a shearlet sparsity constraint, Inverse Problems, 30, 55005, 2014
Loock, S. and Plonka, G.
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Scanning STED-FCS reveals spatiotemporal heterogeneity of lipid interaction in the plasma membrane of living cells, Nat Commun., 5, 5412, 2014
Honigmann, A., Mueller, V., Ta, H., Schoenle, A., Sezgin, E., Hell, S. W. and Eggeling, C.
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Scanning X-Ray Nanodiffraction on Living Eukaryotic Cells in Microfluidic Environments, Phys. Rev. Lett., 112, 88102, 2014
Weinhausen, B., Saldanha, O., Wilke, R. N., Dammann, C., Priebe, M., Burghammer, M., Sprung, M. and Köster, S.
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Orbital-specific Mapping of the Ligand Exchange Dynamics of Fe(CO)5 in Solution, Nature 520 (7545), 78-81, 201
Ph. Wernet, et al.
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The Filament Sensor for Near Real-Time Detection of Cytoskeletal Fiber Structures, PLoS ONE, 10(5), e0126346, 2015
Eltzner, B., Wollnik, C., Gottschlich, C., Huckemann, S., Rehfeldt, F.
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X-Ray Holographic Imaging of Hydrated Biological Cells in Solution, Phys. Rev. Lett., 114(4), 48103, 2015
Bartels, M. Krenkel, M. Haber, J. Wilke R.N., and Salditt, T.
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4Pi-RESOLFT nanoscopy, Nat Commun., 7, 10504, 2016
Böhm, U., Hell, S. W. and Schmidt, R.
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Controlling molecular transport in minimal emulsions, Nat Commun., 7, 10392, 2016
Gruner, P., Riechers B., Semin, B., Lim, J., Johnston, A., Short, K., and Baret, J.-C.
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Lateral association and elongation of vimentin intermediate filament proteins: A time-resolved light-scattering study, PNAS, 113 (40), 11152-11157, 2016
Lopez, C. G., Saldanha, O., Huber, K., and Köster, S.
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Tailored semiconductors for high-harmonic optoelectronics, Science, 357, 303-306, 2017
Sivis, M., Taucer, M., Vampa, G., Jonston, K., Staudte, A., Naumov, A. Y., Villeneuve, D. M., Ropers, C. and Corkum, P. B.
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Locality estimates for Fresnel-wavepropagation and stability of x-ray phase contrast imaging with finite detectors, Inverse Problems, 34, 124004 (38pp), 2018
Maretzke, S.
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Near-infrared STED nanoscopy with an engineered bacterial phytochrome, Nat Commun., 9, 4762, 2018
Kamper, M., Ta, H., Jensen, N. A., Hell, S. W. and Jakobs, S.
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Three-dimensional virtual histology of human cerebellum by X-ray phase-contrast tomography, PNAS, 2018
Töpperwien, M., van der Meer, F., Stadelmann, C. and Salditt, T.
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Viscoelastic properties of vimentin originate from nonequilibrium conformational changes, Sci. Adv. 4(6), eaat1161, 2018
Block, J., Witt, H., Candelli, A., Cabanas Danes, J., Peterman, E. J. G., Wuite, G. J. L., Janshoff, A. and Köster, S.
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Heterogeneous and rate-dependent streptavidin–biotin unbinding revealed by high-speed force spectroscopy and atomistic simulations, PNAS, 116(14), 6594-6601, 2019
Rico, F., Russek, A., González, L., Grubmüller, H. and Scheuring