Insekten unter dem 3D-Röntgenmikroskop [21.06.23]
High-Tech zur Aufklärung von Form und Struktur von Mini-Insekten: Mit Hilfe eines Teilchenbeschleunigers (Synchrotron) führen Forschende im Projekt SMART-Morph erstmals groß angelegte vergleichende Studien an kleinsten Organismen durch. Damit wollen sie u.a. Umwelteinflüssen auf die Entwicklung der Insekten auf die Spur kommen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Verbundprojekt mit knapp 1,2 Millionen Euro. Davon erhält Prof. Dr. Lars Krogmann vom Fachgebiet Biologische Systematik an der Universität Hohenheim etwas mehr als 350.000 Euro.
Mit Hilfe der Computertomographie können zerstörungsfrei dreidimensionale Bilder aus dem Inneren von Organismen erzeugt werden. Eine besondere Form hochauflösende, also extrem detailreiche, Bilder zu erzeugen, ist der Einsatz von Teilchenbeschleunigern, sogenannten Synchrotronen.
Im Verbundprojekt SMART-Morph nutzen die Forschenden die Speicherringe PETRA III und IV am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg. Deren intensive Röntgenstrahlung ermöglicht es, Strukturen in verschiedenen Materialien mit einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer, also einem Tausendstel Millimeter, zu erfassen. So können auch die Details extrem kleiner Proben untersucht werden, wie beispielsweise winzige Strukturen im Inneren von kleinsten Insekten – bis hin zum einzelnen Molekül.
Dabei führen die Anlagen einzelne Aufnahmen innerhalb weniger Sekunden durch, sodass sie Tausende von Proben innerhalb einer Woche analysieren können. Indem die Forschenden die Ergebnisse innerhalb und zwischen großen Serien vergleichen, erhalten sie Informationen über die dreidimensionale Struktur der untersuchten Objekte viel effizienter als bisher und in deutlich größerem Maßstab.
So möchten die Forschenden ihr grundlegendes Verständnis darüber verbessern, wie genetisches Erbmaterial (Genotyp) und äußeres Erscheinungsbild (Phänotyp) von Organismen auf Molekül-Ebene zusammenhängen. Da sie dabei viele Exemplare derselben Spezies miteinander vergleichen, können sie zudem wertvolle Informationen über den menschlichen Einfluss auf Ökosysteme erhalten: Etwa, welche Folgen verschiedene Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Raubtiere und Parasiten aber auch Medikamente und Umweltgifte, auf die Entwicklung von Organismen haben.
Voraussetzung für solche Serienuntersuchungen ist jedoch eine Automatisierung des gesamten Vorgangs – angefangen bei der Probenvorbereitung über die Messung bis hin zu einer ersten Analyse der Daten – durch robotergestützte Arbeitsabläufe, die durch Künstliche Intelligenz gesteuert werden. Diesen gesamten Prozess zu etablieren, ist eine grundlegende Aufgabe des Projektes SMART-Morph.
Projekt-Steckbrief
- Titel: Intelligente Module für KI-gestützte serielle Röntgen-Mikro-Computertomographie für vergleichende morphologische Studien an PETRA III/IV - SMART-Morph
- Fördersumme: 1,193.333,62 Euro gesamt, davon 353.808 Euro für die Universität Hohenheim
- Förderinstitution: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
- Dauer: 1.10.2022-30.9.2025
- Beteiligte: Universität Hohenheim (Gesamtleitung), Staatliches Museum für Naturkunde Stuttgart, KIT (Karlsruhe), Universität Heidelberg
Assoziierte Partner: Helmholtz-Zentrum Hereon (Geesthacht), Europäische Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL, Hamburg), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Hamburg)
Kontakt
Prof. Dr. Lars Krogmann, Staatliches Museum für Naturkunde Stuttgart und Universität Hohenheim, Fachgebiet Biologische Systematik, +49 (0)711 89 36 115, lars.krogmann@smns-bw.de
Schwergewichte der Forschung
Als „Schwergewichte der Forschung“ gelten herausragende Forschungsprojekte mit einem finanziellen Volumen von mindestens 350.000 Euro bei den Experimental- bzw. 150.000 Euro bei den Sozial- und Gesellschaftswissenschaften.
