Mikroskope im Weltraum!

Das Mikroskop

Gebaut wurde der FLUMIAS Demonstrator von TILL I.D. GmbH und von Airbus Defense and Space GmbH für den Einsatz im Weltraum angepasst. In manchen Presseartikeln zum Thema liest man noch, dass das Mikroskop ein “spinnging disc confocal” ist – Schnee von gestern. In dem FLUMIAS Demonstrator steckt ein “strukturierte Beleuchtung”-Mikroskop (Structured Illumination Microscope, SIM). Was ein SIM ist und wie es funktioniert habe ich schon im Artikel Hochauflösungsmikroskopie beschrieben. Mit einem SIM kann man 3D Bilder aufnehmen und theoretisch Details unterhalb der Beugungsgrenze des Lichts auflösen (mehr zur Beugungsgrenze gibt’s bei Ernst Abbe war ein faszinierender Mensch). Der Bau des Gerätes ist für TILL I.D. nicht einfach gewesen – für den Demonstrator war der Platz und das Gewicht beschränkt: Volumen maximal 7 Liter, Gewicht maximal 7 Kilogramm.

Hexagonales Gitter im FLUMIAS Demonstrator, mit freundlicher Genehmigung der TILL I.D. GmbH

Ich habe vorhin geschrieben, dass man “theoretisch Details unterhalb der Beugungsgrenze des Lichts” auflösen kann. Das SIM im FLUMIAS Demonstrator wird so nicht benutzt, es liefert “nur normal” aufgelöste Mikroskopiebilder. Die strukturierte Beleuchtung wird dafür benutzt, um die Probe in 3D aufzunehmen. Man könnte auch höher aufgelöste Bilder machen, dies stellt sich allerdings schwieriger dar als man denkt, wieder wegen der Beschränkungen für Dinge auf der ISS. Das Objektiv muss ein “Luft-Objektiv” sein, also ein Objektiv, das auf die Probe schaut ohne einen Tropfen Immersionsöl dazwischen (wird gemacht um eine höhere numerisch Apatur zu erreichen). Die Abbildung von Luft-Objektiven ist nicht optimal und führt zu vielen Schwierigkeiten in Details von SIMs. In den Laboren, die strukturierte Beleuchtung auf der Erde einsetzen, wird eigentlich immer ein Öl-Immersions-Objektiv benutzt.

Das SIM im FLUMIAS Demonstrator benutzt ein etwas anderes Gitter als die meisten zur Zeit verwendeten SIMs. Es ist ein hexagonales Gitter, also kein eindimensionales Strichgitter, sondern ein zweidimensionales Gitter aus kleinen Löchern. Verwendet man ein solches Gitter, fällt ein Schritt der Rohdaten-Aufnahme weg, der bei SIMs mit Strichgittern erforderlich ist: die Rotation des Gitters. Nochmal: Wie ein SIM funktioniert steht im Artikel Hochauflösungsmikroskopie. Wer sich für die Details von SIM mit hexagonalen Gittern interessiert: Es gibt einen open access Fachartikel dazu: Schropp et al. “XL-SIM: Extending Superresolution into Deeper Layers”.

Die Probe (Demonstrator)

Test-Bild, aufgenommen mit dem FLUMIAS Demonstrators (noch am Boden) von menschliche Makrophagen (Fresszellen, weiße Blutkörperchen). Zellkern in blau, Aktin (Teil des Zytoskeletts) in rot, Vimentin (Teil des Zytoskeletts) in grün. Klick für vollständige Größe (3000×3008), mit freundlicher Genehmigung des DLR/Prof. Ullrich.

Im FLUMIAS Demonstrator werden am Freitag 29.06.2018 zwei Proben zur ISS fliegen. Einmal eine Probe mit lebenden Makrophagen (Fresszellen, weiße Blutkörperchen), die mit Fluoreszenz-Farbstoffen markiert sind und derselbe Zelltyp in einer fixierten (toten) Probe, ebenfalls markiert mit Fluoreszenz-Farbstoffen. Diese Makrophagen sind menschliche Zellen, sie wurden aus zentrifugierten Proben von Blutspendern gewonnen, aus dem sogenannten buffy-coat. Präpariert und bereitgestellt wurden die Proben von der Arbeitsgruppe um Prof. Ullrich an der Uni Magdeburg. Der Demonstrator soll vor allem zeigen, dass das Gerät auf der ISS Bildserien von biologischen Proben anfertigen kann, in guter und gleichbleibender Qualität, die auch auswertbar für die Wissenschaft sind. Ein Test-Bild der fixierten Makrophagen-Probe, gemacht mit dem FLUMIAS Demonstrator (als er noch auf der Erde war), hab ich euch hier eingefügt.

Wie kommen wir an die Bilder?

Für mich war das eine besonders spannende Frage. Einmal weil ich gerne wissen wollte, welche Kamera- und Beleuchtungstechnik im Mikroskop steckt, zum anderen hat mich interessiert wie die Daten von der ISS zu Erde kommen. Die Antwort auf die letzte Frage war für mich ein wenig enttäuschend: Die aufgenommenen Rohdaten werden mit einer SSD (solid-state-disk, im Prinzip ein USB-Stick) bei der nächsten Gelegenheit wieder mit zur Erde gebracht, im Labor ausgewertet und daraus werden dann dreidimensionale SIM-Bilder errechnet. Aber es handelt sich ja nur um einen Demonstrator, für die Zukunft ist ein direkter Datentransfer geplant. Bisher ist die Übertragungskapazität der ISS für die erwarteten 2TB Rohdaten zu schwach.