Messung und Analyse dreidimensionaler Trajektorien schwimmender Mikroorganismen

• Applicants: Professor Dr. Axel Rosenhahn; Professor Dr.-Ing. Bodo Rosenhahn
• Subject Area: Image and Language Processing, Computer Graphics and Visualisation, Human Computer Interaction, Ubiquitous and Wearable Computing
• Term: from 2008 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 63731691

Viele Vorgänge in der Natur laufen auf einer Längenskala im Mikrometerbereich ab. Um solche Prozesse untersuchen zu können werden Mikroskope verwendet, die in der Lage sind kleine biologische Objekte wie zum Beispiel Zellen vergrößert abzubilden. Neben der Struktur von Zellen, Mikroorganismen oder Bakterien, ist ihre aktive Bewegung wichtig, damit diese kleinen Bausteine des Lebens ihre Aufgabe erfüllen können ( Leben ist Bewegung“ [65]). Solche Bewegungen können sowohl zufällig (z.B. suchend), als auch eine Reaktion auf äußere Reize wie zum Beispiel Temperatur, Licht oder Chemikalien sein [57, 18, 8]. Insbesondere bei schnellen Prozessen wie zum Beispiel schwimmenden Bewegungen ist es in vielen Fällen wünschenswert, dreidimensionale Informationen über das Verhalten individueller Mikroorganismen zu erhalten. Ein hierfür geeignetes, relativ junges Mikroskopieverfahren ist die digitale in-line holographische Mikroskopie [40]. Mit ihr ist es seit einigen Jahren möglich, Objekte mit einer Größe von nur einigen Mikrometern zu verfolgen und ihr individuelles Verhalten in Form ihrer Trajektorien, also die Objektposition in Abhängigkeit der Zeit, zu analysieren [96, 39, 47]. Wir wollen dieses Verfahren anwenden um Verhalten von Mikroorganismen in vier Dimensionen1 zu studieren und die erhaltenen Trajektoriendaten automatisch zu analysieren. Eine Rekonstruktion und Interpretation der gemessenen Hologramme ist mit Computern möglich. In der Heidelberger Nachwuchsgruppe wurden Softwarepakete entwickelt, die semiautomatisch in der Lage sind, aus den erhaltenen Streuinformationen die Position von Objekten zu ermitteln und wichtige Kenngrößen der Bewegungen zu berechnen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist nun die vollautomatische Datenanalyse und der damit verbundene, große Datendurchsatz. Vor allem im Hinblick auf die Variabilität in der Biologie ist eine fundierte statistische Analyse notwendig um quantitative Aussagen über Verhaltensmuster treen zu können. Im Rahmen dieses Antrags sollen die Disziplinen der Physikalischen Chemie, die sich mit der Aufnahme undUntersuchung von schwimmenden Mikroorganismen beschäftigt, und der Informatik, welche einen breiten Schatz an Methoden der Bildverarbeitung und Signaltheorie einbringen kann, in einem interdisziplinären Forschungsprojekt verschmolzen werden. Es wurde daher ein neuer Ansatz definiert, der ausgerichtet an spezifischen wissenschaftlichen Fragestellungen eine neue Plattform für die vollautomatisierte Analyse und Klassifizierung von holographischen Streudaten schaffen soll. Durch wohldefinierte Schnittstellen sollen neue Algorithmen in der Informatik entwickelt werden, die eine Analyse des komplexen Datenmaterials ermöglichen. Auf diese Weise soll eine eindeutige quantitative Interpretation der Trajektorien von Mikroorganismen unter dem Einuss verschiedener Umgebungsparameter möglich werden. Neben dem Einuss natürlicher Größen wie der Änderung von Bewegungsmustern in Abhängigkeit der verwendeten Spezies, der Flagellenzahl, des Lichteinfalls und der Temperatur stellen wir modellhaft zwei Anwendungen vor, das Screening von Oberflächen mit potenziell antiadhasiven Eigenschaften sowie die Anwendung in der Ökotoxikologie.

• DFG Programme: Research Grants