Software erspart Forschern Mikroskoparbeit
EU-finanzierte Wissenschaftler haben ein System entwickelt, das Forschern bei der Suche nach Zellen in großen Proben das lästige stundenlange Kauern über einem Mikroskop erspart. Vorgestellt wurde das System von einer Forschungsgruppe des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (European Molecular Biology Laboratory, EMBL) in Deutschland in der Fachzeitschrift Nature Methods. Unterstützt wurde die Arbeit über drei Projekte: MITOCHECK ("Regulation of mitosis by phosphorylation - A combined functional genomics, proteomics and chemical biology approach"), MITOSYS ("Systems biology of mitosis") und SYSTEMS MICROSCOPY ("Systems microscopy - a key enabling methodology for next-generation systems biology"). Mithilfe modernster bildgebender Verfahren können Forscher hoch komplexe Prozesse in Zellen sichtbar machen. Allerdings kann es bei einer großen Probe von Zellen vorkommen, dass lediglich wenige Zellen davon gerade den zu untersuchenden Prozess durchlaufen, was besonders bei relativ seltenen Abläufen ein Problem darstellt. Für das Auffinden dieser Zellen müssen Forscher Stunden am Mikroskop verbringen und die Zellen manuell durchsuchen, um diejenigen zu finden, die sie benutzen können. Die vorliegende Studie beschreibt eine saubere Software-Lösung für dieses Problem. Das Micropilot genannte System durchsucht Proben wirksam nach relevanten Zellen und führt entsprechende Versuche an ihnen durch. Es umfasst ein maschinelles lernbasiertes Modul, sodass es von einem Nutzer schnell trainiert werden kann, um automatisch nach den Zellen zu suchen, die den Forscher interessieren. Nach diesem Training kann Micropilot selbständig, schnell und mit niedriger Auflösung die Probe durchsuchen. Wenn es eine Zelle findet, die den Anforderungen des Forschers entspricht, schaltet das System auf einen komplexen Imaging-Modus um, der automatisch kompliziertere Experimente durchführt. Diese reichen von relativ einfachen Aufgaben wie der Aufzeichnung von hochauflösenden Zeitraffervideos bis zu komplizierteren Experimenten, bei denen etwa mithilfe eines Lasers fluoreszierend markierte Proteine behindert werden. Was die Hardware betrifft, wird ein motorisierter Mikroskoptisch benötigt, ebenso wie die Möglichkeit, automatisch zwischen Zielvorgaben oder Laserscanner-Zoom zu wechseln und Fluoreszenz-Filter und/oder Laserlinien auszutauschen. Das Team testete seine Software an bestimmten Phasen des Zellteilungszyklus, die relativ kurz und damit schwer "in Aktion" einzufangen sind. Mithilfe der Micropilot-Software konnten die Forscher bestimmen, wann sich Austrittsstellen des endoplasmatischen Retikulums (endoplasmic reticulum exit sites, ERESs) bilden, und die Rolle untersuchen, die die beiden Proteine CBX1 und CENP-E bei der Komprimierung des genetischen Materials in kompakte Chromosomen und bei der Bildung der Spindel für die Ausrichtung der Chromosomen während der Zellteilung spielen. Micropilot zeichnet sich vor allem durch seine Geschwindigkeit aus: In nur 4 Nächten (unbeaufsichtigter) Arbeit entdeckte es 232 Zellen in 2 besonderen Stadien der Zellteilung und führte an ihnen komplexe Imaging-Experimente durch. Dagegen hätte ein erfahrener Wissenschaftler am Mikroskop mindestens einen Monat voll arbeiten müssen, um diese Zellen in einer Probe von Tausenden zu finden. "Micropilot [...] befreit Zellbiologen von der mühsamen Arbeit der repetitiven, manuellen Datengenerierung", merken die Forscher an. "Es kann praktisch an jedes Bildgebungssystem angepasst werden, das auf der Basis von Ergebnissen der maschinellen Bildklassifizierung eine Automatisierung und Onlinesteuerung ermöglicht." Ihre Schlussfolgerung lautet: "In drei unabhängigen Versuchsaufbauten erlaubte [Micropilot] uns eine detaillierte statistische Analyse biologischer Prozesse und ist somit ein leistungsfähiges Werkzeug für die Systembiologie." Die Software wird ein wichtiges Werkzeug für die EU-finanzierten Projekte MITOSYS und SYSTEMS MICROSCOPY darstellen, die aus dem Siebten Rahmenprogramm (RP7) der EU 10,2 Mio. EUR und 12 Mio. EUR erhalten haben. Das andere an dieser Studie beteiligte, mit EU-Mitteln finanzierte Projekt, MITOCHECK, erhielt 8,6 Mio. EUR aus dem Sechsten Rahmenprogramm (RP6). Weitere Informationen unter: Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL): http://www.embl.org Nature Methods: http://www.nature.com/nmeth Die Micropilot-Software finden Sie unter: http://www.embl.de/almf/almf_services/hc_screeing/micropilot/ MITOCHECK: http://www.mitocheck.org/ MITOSYS: http://www.mitosys.org/ Das Factsheet zu SYSTEMS MICROSCOPY auf CORDIS finden Sie hier
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