| Autor(en): |
Sebastian Haase |
Titel: |
OMX - a novel high speed and high resolution microscope and its application to nuclear and chromosomal structure analysis |
| Gutachter: |
Harald Saumweber; Zvi Kam; Heinrich Leonhard |
| Erscheinungsdatum: |
07.03.2008 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10087670)
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| Fachgebiet(e): |
Biowissenschaften, Biologie |
| Schlagwörter (ger): |
Lichtmikroskopie, Ultra-Hochauflösung, Chromosomenstruktur, Priithon |
| Schlagwörter (eng): |
light microscopy, ultra-high resolution, chromosome structure, Priithon |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Haase, Sebastian:
OMX - a novel high speed and high resolution microscope and its application to nuclear and chromosomal structure analysis;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 07.03.2008, urn:nbn:de:kobv:11-10087670
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| Abstract (ger): |
| Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges 3D Fluoreszenz Mikroskop,
OMX gennant, entworfen und gebaut.
Ein umfassender Design-Neuansatz erlaubt es den neuen Anforderungen der
aktuellen Biologie bezüglich erhöhter Auflösung in Zeit und Raum
Rechnung zu tragen. Mit Ausnahme vom Auflegen des
Objektträgers sind alle Aspekte des Mikroskops Computer-gesteuert.
Einen Großteil der Software floß in ein neues, eigenständiges
Open-Source Projekt ein. Es erlaubt die Verarbeitung sehr großer,
mehrdimensionaler Bilddaten, und die Entwicklung neuartiger
Algorithmen in einer flexiblen Oberfläche.
OMX hat zwei Betriebsarten: Im ersten Modus können bis zu 100 Bilder
pro Sekunde mit optischer Auflösung in mehreren Farbkanälen
aufgenommen werden. Dies entspricht etwa 10 3D Bildern pro Sekunde.
Im zweiten Modus können mit der Structured Illumination Mikroskopie
fixierte Präparate mit eine Auflösung unterhalb des Abbe-Limits
untersucht werden.
Im zweiten Teil dieser Arbeit, stelle ich erste Forschungsergebnisse von
OMX vor. Drosophila X-chromosomen markiert mit GFP-MSL3 wurden
in situ im sub-Sekunden Bereich beobachtet. Mit Hilfe
neuentwickelter Algorithmen konnte ich die Chromosomendynamik
analysieren. Das Falten und Entfalten von Bereichen eines Chromosoms
wurde als Funktion der Zeit darstellen.
Chromosomenstrukturen wurden mit Hilfe der SIM an fixierten
primären embryonalen Kulturen untersucht. Unterstrukturen von
100-200nm sind erkennenbar. Viele Bilder zeigen eine DNA-reiche
Hülle die einen DNA-armen Chromosomenkern umgibt.
Ausserdem habe ich polytäne Chromosomen mit SIM aufgenommen.
Bandstrukturen zeigen sich mit deutlich erhöhter
Detailklarheit, und Längsfasern sind sichtbar, die ansonsten
nur vom Elektronenmikroskop her bekannt sind.
Als weiteres Beispiel der verbesserten Auflösungsfähigkeit habe
ich Kernporen untersucht. In mit DAPI gefärbten Mauszellen zeigen
diese sich als dunkle Punkte mit einer Größe von etwa 120nm.
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| Abstract (eng): |
| A novel fluorescence 3D wide-field light microscope called OMX, was designed
and implemented. The novel design addresses improved speed and resolution
requirements of current biology research.
After designing and building the microscope body
I designed and implemented the needed computer software for the eight
computers required to operate OMX.
Over the course of the project I also designed and implemented a new
Open-Source software platform for algorithm development and image
analysis. It focuses on very large multi-dimensional image data
handling and visualization in general.
OMX can operate in two modes: In the first mode a live specimen can be observed
at optical resolution (approx. 250nm) at speeds up to 100 sections per second
simultaneously in multiple wavelength channels. This equals about 10 3D images
per second.
The second mode is for observing fixed preparations at resolutions
below the Abbe diffraction limit using Structured Illumination Microscopy (SIM).
This produces 3D volumetric image data with lateral resolution near
100nm and axial resolution of about 200nm.
In the second part of this thesis I show first results achieved using
the OMX microscope.
Chromosome dynamics was analyzed using various newly developed image
analysis algorithms. Sub-second motion was observed for in situ Drosophila
X-chromosomes tagged with GFP-MSL3.
Parts of the chromosome can be traced within the nucleus and
time-series data shows its folding and unfolding as a function of time.
Chromosome structure was imaged using SIM on formaldehyde fixed primary
embryonic cultures stained with DAPI. Features of the sub-structure
with sizes around 100-200nm were apparent. Many chromosomes show an
outer layer along the chromatin axis appearing persistently
denser in DNA than the central core. Polytene chromosomes were imaged
using SIM. Band patterns are visible in much more detail than in
conventional deconvolution microscopy and longitudinal fibers known
only from electron microscopy were visible.
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