C.ELMi - Ein facettenreiches Mikroskop für die Verhaltensklassifizierung im Hochdurchsatzverfahren und zur Unterstützung der molekularen Analyse in C. elegans

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Julia Bornhorst; Privatdozent Dr. Sebastian Fudickar; Professor Dr. Martin Simon
• Fachliche Zuordnung: Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing ; Toxikologie, Laboratoriumsmedizin
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566020429

Die phänotypische Verhaltensanalyse in Modellorganismen, wie dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans (C. elegans), stellt derzeit eine Herausforderung in wichtigen Forschungsbereichen wie der Altersforschung und neurodegenerativen Erkrankungen dar. Bestehende Systeme zur Verhaltensanalyse von C. elegans sind durch manuelle, subjektive Bewertungen, fehlende Automatisierung und Skalierbarkeit sowie die begrenzte Fähigkeit, mehrere Verhaltensmerkmale gleichzeitig zu erfassen, eingeschränkt. Es besteht ein klarer Bedarf an automatisierten, objektiven und kosteneffizienten Systemen zur Hochdurchsatz-Verhaltensanalyse und deren Integration in molekularbiologische Studien. Daher soll C.ELMi entwickelt werden – ein neuartiges Mikroskop, das diese Herausforderungen überwindet. Durch die Kombination von Hardware, Software (Mikroskopie und maschinelles Lernen) und spezifischen Anwendungen bietet C.ELMi ein benutzerfreundliches, skalierbares System für Hochdurchsatzstudien und molekulare Analysen. C.ELMi ermöglicht 1) die langfristige Verfolgung von Überlebens-, Verhaltens- und morphologischen Parametern (z. B. Bewegung, soziale Kontakte, Geschwindigkeit und Ruhezeiten), 2) die automatisierte Langzeitanalyse von Verhaltensauffälligkeiten und die individuelle Identifikation, sowie 3) die Auswahl einzelner Organismen für molekulare Analysen basierend auf Verhaltensdaten. Dies unterstützt weiterführende Untersuchungen wie Transkriptomik, genomweite RNAi-Screens, qPCR, Metabolomik und Proteomik. C.ELMi wird Langzeitstudien zu Alterungsprozessen und neurodegenerativen Erkrankungen unterstützen und dabei die Identifikation von transkriptomischen Veränderungen ermöglichen. Es bietet eine umfassende und objektive Analyse des Verhaltens in Verbindung mit molekularen Mechanismen. Das System ist kosteneffizient konzipiert, mit niedrigen Herstellungskosten, und soll als Open-Source-Lösung sowohl für finanziell gut ausgestattete als auch für kleinere Labore zugänglich sein. Zur Evaluierung wird C.ELMi in mehreren Laboren getestet, um seine Zuverlässigkeit und Anwendbarkeit zu bestätigen. Der Proof-of-Concept-Ansatz von C.ELMi umfasst die Bewertung seiner Genauigkeit bei der Segmentierung und Verfolgung von C. elegans sowie die Identifikation abnormaler Verhaltensweisen. Anschließend wird eine RNA-Sequenzierung durchgeführt, um die zugrunde liegenden molekularen Signalwege zu validieren. Durch diese Integration von Verhaltens- und molekularen Daten wird C.ELMi beispiellose Einblicke in die molekulare Basis des Verhaltens in Krankheitsmodellen ermöglichen. Dieses System wird die C. elegans-Forschung revolutionieren, indem es eine automatisierte Hochdurchsatz-Phänotypenanalyse mit molekularer Validierung kombiniert.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung