Mikroskope im Weltraum!

Am Freitag, den 29. Juni 2018 wird ein Mikroskop zur Internationalen Raumstation fliegen. Die “Commercial Resupply Service Mission 15” (SpaceX CRS-15) wird, unter anderem, das FLUMIAS Demonstrator Experiment zu Alexander Gerst in den Orbit befördern. Das Experiment gehört zur ISS horizons Mission des DLR – die Fragestellung zum Experiment lautet: Funktioniert es, auf der ISS, von lebenden Zellen Fluoreszenz-Bilder mit einem automatisierten Mikroskop zu machen?

FLUMIAS Demonstrator, mit freundlicher Genehmigung des DLR.

Ich war schwer begeistert, als ich zum ersten Mal davon gelesen habe. Ein Mikroskop auf der ISS! Da es leider online nicht so viele Informationen gibt, habe ich mich an das DLR gewandt um aus erster Hand mehr über FLUMIAS zu erfahren. Das hat großartig funktioniert, siehe Danksagung am Ende des Textes. Entwickelt und gebaut wurde das Gerät von der Firma TILL I.D. (Anpassung für den Einsatz auf der ISS & Projektleitung durch Airbus D&S) und die wissenschaftliche Seite wird von der Arbeitsgruppe um Prof. Ullrich an der Uni Magdeburg betreut.

Warum?

Bevor ich in die Details einsteige, was dort untersucht werden soll und wie das Mikroskop technisch funktioniert, ein kurzer Überblick dazu, warum ein Mikroskop zur ISS fliegt.

Wir wissen schon sehr sehr viel über die verschiedensten Zelltypen – größtenteils allerdings von Proben, die auf Glas aufgewachsen sind, und immer unter Einfluss der Schwerkraft. Auf der Erde können wir in Falltürmen für kurze Zeit “Schwerelosigkeit” auf eine Probe wirken lassen, bei Parabelflügen teilweise einige Dutzend Sekunden. In diesen kurzen Zeitspannen hat man bereits Reaktionen und teilweise komplette Anpassungen nach 42s nachgewiesen. Folglich will man nun Untersuchungen in längeren Phasen der Schwerelosigkeit durchführen. Mit dem Mikroskop auf der ISS soll die Morphologie von Zellen in der Schwerelosigkeit untersucht werden, also wie sich das Zytoskelett, die einzelnen Bestandteil der Zelle (Organellen) und die Membranen verhalten. Auch soll untersucht werden, ob sich Eiweiße in der Zelle in anderen Bereichen sammeln, anders verteilen und ob und wie sie miteinander interagieren, im Vergleich zu Zellen auf der Erde. Schließlich soll auch untersucht werden, ob es auf zellulärer Ebene Prozesse gibt, die durch Schwerkraft überhaupt erst ausgelöst werden. All das wird dazu beitragen, Zellen und deren innere Prozesse besser zu verstehen – schließlich wird das Mikroskop Live-Bilder liefern, also räumlich-zeitliche Daten unter Schwerelosigkeit.

Anforderungen an das Mikroskop

FLUMIAS Demonstrator in seiner Transportverpackung, mit freundlicher Genehmigung von TILL I.D. GmbH

Leider gibt es kein Mikroskop das man kaufen und dann auf die ISS schicken kann. Man merkt hier auf der Erde oft gar nicht, wie sehr uns die Schwerkraft dabei hilft Ordnung zu halten und Dinge zu benutzen. Beispielsweise dürfen auf der ISS keine Objektträger und Deckgläschen aus Glas benutzt werden – denn wenn diese kaputt gehen, warum auch immer, fliegen scharfkantige Scherben durch die ISS und fallen nicht einfach nur auf den Boden wie bei uns auf der Erde. Dasselbe gilt für Schmiermittel, zum Beispiel um die Höhenverstellung oder die Schärfe eines Mikroskops zu steuern, Flüssigkeiten wie Immersionsöl für bestimmte Objektive, und die einzelnen Teile des Mikroskops müssen auch besonders verkapselt werden. Sollte ein Fluoreszenzfilter brechen, oder eine Linse, haben wir wieder das gleiche, gefährliche Szenario der herum schwebenden Scherben wie bei den Objektträgern. Allein schon wegen dieser Gründe musste das Mikroskop dafür neu “erfunden” werden, um es auch auf der ISS gefahrlos benutzen zu können.

Aber es gibt nicht nur Sicherheitsregeln, die erfüllt werden müssen, sondern auch Anforderungen daran, was das Mikroskop können muss. Um einzelne Eiweiße in der Zelle beobachten zu können, müssen die Zellen erst einmal am Leben gehalten werden. Eiweiße, die man beobachten will, müssen mit Fluoreszenz-Farbstoffen markiert werden; die Zellen sollten in 3D abgebildet werden können und die Bedienung sollte zum großen Teil automatisch erfolgen – die Besatzung der ISS hat ja noch mehr zu tun.

Und natürlich wäre es praktisch, einen direkten Vergleich zur Erde auch auf der ISS zu haben, also vielleicht “Schwerkraft zum Anschalten”. Dazu ist eine Zentrifuge geplant, welche die Probe dann verschiedenen Beschleunigungen aussetzen kann, über eine längere Zeit. Diese Zentrifuge ist beim FLUMIAS Demonstrator noch nicht dabei – erst will man sicher gehen, dass das Mikroskop auch einwandfrei funktioniert (siehe “Demonstrator” ;-)).

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.

Was die Kamera und die Beleuchtung angeht war ich überrascht. Die Kamera ist ein einfacher CMOS, mit einem Sony-Chip, also kein Eigenbau sondern ein so gekauftes Teil. Verbunden ist sie mit dem Rechner über eine PCI-Express-Schnittstelle, was dann zu einer maximalen Bildrate von 40 Bildern pro Sekunde bei 3000 x 3000 Pixeln führt. Zum Vergleich: Full-HD heißt 1920 x 1080 Pixel, UHD 4k heißt 3840 x 2160 Pixel. Die Beleuchtung der Probe übernehmen vier LEDs in verschiedenen Farben: violett, blau, grün-gelb und rot. Vor diesen LEDs befinden sich Fluoreszenz-Anregungsfilter, die nur in einem recht schmalen Wellenlängen-Fenster durchsichtig sind, ca. 20nm. Das führt dazu, dass mit diesen LEDs Fluoreszenz-Farbstoffe oder fluoreszente Proteine bei folgenden Wellenlängen angeregt werden können: ca. 400nm, ca. 470nm, ca. 550nm und ca. 640nm. Das passt für viele gängigen fluoreszenten Marker (mehr dazu auch unter Farbe und das Fluoreszenzmikroskop).

Was kommt nach dem Demonstrator?

FLUMIAS Experimentehalter-Konzept, mit freundlicher Genehmigung des DLR.

Welche Techniken und Fähigkeiten später bei FLUMIAS (ohne Demonstrator) auf die ISS fliegen werden, wird gerade untersucht, und ist natürlich auch abhängig von den Ergebnissen des Demonstrators. Was man aber definitiv sagen kann – also was sich das DLR vorgestellt hat – wäre Folgendes: Ein ständiges Gerät mit wechselbaren Experiment-Blöcken. In jedem Block ist eine Probe, auch lebende Zellen, mit eigenem Lebenserhaltungssystem. Letzteres besteht bei lebenden Zellen vor allem aus kleinen Pumpen, die das Zellmedium in regelmäßigen Abständen tauschen und einer Gasversorgung für die Zellen. Im finalen Experiment wird die LED-Beleuchtung durch eine Vierfarben Laser-Beleuchtung ersetzt, und die Kamera wird eine sCMOS (scientific CMOS) sein, die noch etwas schneller und empfindlicher ist als die Kamera im Demonstrator.

Die ganze Geschichte, also der Experimenthalter mit den einzelnen Experiment-Blöcken, das Mikroskop und wohl auch der eingebaute Rechner zur Datennahme und Auswertung werden auf einer Zentrifuge montiert sein, und zwar so, dass die Proben unterschiedliche Beschleunigungen erfahren können. Damit kann man Kontrollmessungen machen, um Vergleichbarkeit mit der Erde herzustellen (0g – 1g – 0g) und auch Schwellwerte bestimmen, also feststellen, ab wann bestimmte Beschleunigungen bestimmte Prozesse in Zellen auslösen und schnelle interne Effekte bei Änderung der Beschleunigung beobachten.

FLUMIAS Experiment-Block-Konzept, mit freundlicher Genehmigung des DLR.

Das DLR hat das FLUMIAS als multi-user Experimentanlage konzipiert. Wie das im Detail später aussehen wird ist noch nicht klar. Ich würde mir wünschen, wenn das Gerät etwas wird, für das jede*r Wissenschaftler*in einen Antrag schreiben kann, einen Experimentblock baut und dann Zellbiologie bei verschiedenen Beschleunigungen und Schwerelosigkeit machen (lassen) kann. Ein Bild des Experiment-Block-Konzepts habe ich hier eingefügt – mit etwas Mühe kann man auch erkennen, dass in diesem Block ein Objektiv integriert ist. Das finde ich eine sehr kluge Idee, führt das doch zu der Möglichkeit verschiedene Vergrößerungen für die Experimente auf der ISS benutzen zu können. Und wer weiß, vielleicht kommt jemand noch auf eine Idee ein Objektiv zu bauen, dass die positiven Eigenschaften der Öl-Immersion besitzt, ohne diesen nervigen Öltropfen, der auf der ISS verboten ist.

Also:

Am Freitag, 29.06.2018 um 11:42 Mitteleuropäischer Sommerzeit soll eine Falcon9 von SpaceX den FLUMIAS Demonstrator zur ISS fliegen. SpaceX wird auf ihrem YouTube-Kanal den Start live übertragen.

Update: Der Start war erfolgreich. Das Andocken der SpaceX-Dragon-Kapsel wird am Montag den 02.07.2018 live auf NASA TV übertragen: Link.

Update: Die SpaceX Dragon Kapsel ist mittlerweile an die ISS gekoppelt und die Ladung wurde/wird ausgeladen. Ich hab dazu einen Tweet vom Astronauten Ricky Arnold, der zur Zeit gerade auf der ISS ist, ganz unten verlinkt, mit einem schönen Video.

Ich bemühe mich hier, Neues über FLUMIAS zu schreiben und hoffe, dass ich etwas von den ersten Messungen auf der ISS mitbekomme und euch hier zeigen kann.

Danke

Mein Dank geht an Dr. Anna Carstens und Dr. Markus Braun vom DLR, an Dr. Christian Seebacher von der TILL I.D. GmbH und an Prof. Ullrich und Team für die sehr ausführlichen Gespräche und die Bereitstellung der Bilder.

Once we captured @SpaceX Dragon, ground controllers at @NASA_Johnson took over and berthed it to station. Enjoy the robotic ballet. pic.twitter.com/kIrANJqiG3

— Ricky Arnold (@astro_ricky) July 5, 2018