Adaptive Optik zur Korrektur von Aberrationen in der kryogenen Fluoreszenzmikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Kaufmann
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496128632

Die leistungsfähigste Technologie für die strukturelle Zellbiologie ist die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Sie bietet eine beispiellose Auflösung in Präparaten in einem nahezu nativen Zustand, indem sie sich die Vorteile der Vitrifizierung (ultraschnelles Einfrieren) und den nativen Kontrast des Präparats zunutze macht. Da der Kryo-EM jedoch die Möglichkeit zur spezifischen Markierung bestimmter Proteine im Zellinneren fehlt, kann das Auffinden oder Validieren der zu untersuchenden Strukturen oft sehr schwierig oder sogar unmöglich sein. Zur Lösung dieses Problems wurde die Kryo-Fluoreszenzmikroskopie (Kryo-FM) entwickelt, um hochspezifische Fluoreszenzmarkierungen für die Kryo-Bildgebung nutzbar zu machen. Die Kombination beider Kryomikroskopietechniken bietet ein leistungsstarkes Werkzeug für die Zell- und Strukturbiologie. Um jedoch die große Auflösungslücke zwischen Kryo-FM und Kryo-EM zu überwinden, ist superauflösende Kryo-FM oder eine hochpräzise Lokalisierung seltener Objekte erforderlich. Jüngste Entwicklungen zeigen das enorme Potenzial dieser Ansätze, legen aber auch die technischen Herausforderungen des noch relativ jungen Felds der Kryo-FM dar. Eine der größten Herausforderungen sind optische Aberrationen, die entweder durch das kryogene Präparat selbst oder die für Kryo-FM verwendete Optik eingebracht werden. Das Ziel dieses Antrags ist es, adaptive Optik in einem existierenden experimentellen cryo-FM-Aufbau zu implementieren, um Aberrationen in den typischsten Anwendungen der Kryo-FM zu korrigieren. Dies betrifft: (i) Einschränkungen bei der hochpräzisen 3D-Lokalisierung seltener Objekte oder Ereignisse innerhalb von Zellen aufgrund von Verzerrungen der Punktbildfunktion; (ii) Artefakte und Auflösungsverlust bei superauflösender Kryo-FM aufgrund von Asymmetrien in der Punktbildfunktion; (iii) Auflösungs- und Empfindlichkeitsverlust bei der Kryo-Immersions-Bildgebung aufgrund von Aberrationen, die durch Diskrepanzen des Brechungsindex des Immersionsmediums eingeführt werden. Wir werden Korrekturroutinen für die verschiedenen Fälle entwickeln und für jedes der einzelnen Ziele Proof-of-Concept-Demonstrationen mit typischen biologischen Präparaten durchführen. Das übergeordnete Ziel dieses Antrags ist es, die Grundlagen für die adaptive Optik für die drei wichtigsten Bereiche der Kryo-FM zu legen, welche stark von Korrekturen unvermeidlicher optischen Aberrationen profitieren würden. Wir sind überzeugt, dass dies einen großen Einfluss auf zukünftige technische Entwicklungen im Feld der Kryo-FM und der korrelativen Kryo-Mikroskopie haben wird und somit letztendlich auch auf die zukünftige Forschung in der Zell- und Strukturbiologie durch das Bereitstellen neuartiger Werkzeuge zur Adressierung biologischer Fragen, die derzeit unbeantwortet bleiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen