Кристоф Кремер - Christoph Cremer

Кристоф Кремер (родился в Фрайбурге - им - Брайсгау, Германия ) является немецкий физик и почётный на Рупрехт-Карлс-Университета Гейдельберга , бывший почетный профессор Университета Майнца и бывший руководитель группы в Институте молекулярной биологии (IMB) на Йоханнеса Гутенберга из Университета Майнца , Германия , который успешно преодолел общепринятый предел разрешения, который применяется к исследованиям на основе света ( предел Аббе ) с помощью ряда различных методов (1971/1978 - разработка концепции 4Pi-микроскопии; локализационная микроскопия 1996 г. SPDM; 1997 пространственно-структурированное освещение SIM). Между тем, согласно его собственному заявлению, Кристоф Кремер является членом Института химии Макса Планка (Институт Отто Хана) и Института Макса Планка по исследованию полимеров .

Его настоящий микроскоп Vertico-SMI - самый быстрый в мире нано-световой микроскоп, который позволяет проводить крупномасштабные исследования супрамолекулярных комплексов, в том числе состояния живых клеток. Он позволяет получать трехмерное изображение биологических препаратов, помеченных обычными флуоресцентными красителями, и достигает разрешения 10 нм в 2D и 40 нм в 3D.

Таким образом, этот наноскоп может внести существенный вклад в нынешнюю революцию в области оптической визуализации, которая повлияет на всю молекулярную биологию, медицинские и фармацевтические исследования. Технология позволяет разрабатывать новые стратегии профилактики, снижения риска и терапевтического лечения заболеваний.

биография

После нескольких семестров изучения философии и истории в Фрайбургском и Мюнхенском университетах , Кремер изучал физику в Мюнхене (при финансовой поддержке Studienstiftung des Deutschen Volkes ) и защитил докторскую диссертацию. по генетике и биофизике во Фрайбурге. За этим последовали постдокторские исследования в Институте генетики человека во Фрайбургском университете, несколько лет в США в Калифорнийском университете , и его « хабилитация » в области общей генетики человека и экспериментальной цитогенетики во Фрайбургском университете. С 1983 года и до выхода на пенсию он преподавал в качестве профессора (кафедра с 2004 года) «прикладной оптики и обработки информации» в Физическом институте Кирхгофа при Гейдельбергском университете. Кроме того, он был членом Междисциплинарного центра научных вычислений. Кремер участвовал в трех «Проектах передового опыта» Гейдельбергского университета (2007–2012 гг.), А также был партнером в кластере биотехнологий для клеточных и молекулярная медицина, один из пяти кластеров, выбранных в 2008 году в качестве кластеров передового опыта BMBF в Германии . Избранный вторым спикером сената Гейдельбергского университета, Кремер также принимал участие в управлении и политике университета. В качестве адъюнкт-профессора в Университете штата Мэн и в качестве члена лаборатории Джексона ( Бар-Харбор, штат Мэн ), где он проводит исследования в течение нескольких недель каждый год в перерывах между семестрами, он участвовал в создании центра биофизики ( Институт молекулярной биофизики), который связан с Гейдельбергским университетом в рамках сотрудничества «Глобальная сеть».

Кремер женат на архитекторе и художнице Летиции Манчино-Кремер.

  • Микроскопия сверхвысокого разрешения

  • Раковые клетки молочной железы: двухцветная микроскопия Her2 и Her3 со сверхвысоким разрешением 3D LIMON и кластерные вычисления

  • SPDMphmyod: обнаружение одной молекулы YFP в раковой клетке человека.

  • SPDMphymod Совместная локализационная микроскопия ядра: 120 000 слитых белков GFP и RFP, локализованных в широком поле зрения (470 мкм2)

  • Локализационная микроскопия без этикеток SPDM - микроскопия сверхвысокого разрешения выявляет ранее не определяемые внутриклеточные структуры

  • SMI Исследование ткани глаза человека, пораженного дегенерацией желтого пятна AMD

  • Микроскопия вирусов сверхвысокого разрешения SPDM Cremer / Wege labs

  • fBALM Микроскопия локализации одиночных молекул сверхвысокого разрешения с использованием флуктуации структуры ДНК с помощью микроскопии активированной локализации с использованием связывания

Фундаментальные разработки

Развитие концепции 4Pi микроскопии

Кремер был вовлечен в начале дальнейшего развития лазерной основы световая микроскопия приближается. Первые идеи зародились еще в аспирантуре 1970-х годов. Вместе со своим братом Томасом Кремером , ныне профессором (заведующим кафедрой) антропологии и генетики человека в Университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене, Кристоф Кремер предложил разработать лазерный сканирующий 4Pi микроскоп на основе голограмм . Основная идея заключалась в том, чтобы сфокусировать лазерный свет со всех сторон (пространственный угол 4Pi) в пятно с диаметром, меньшим, чем диаметр обычного лазерного фокуса, и сканировать объект с помощью этого пятна. Таким образом, должно быть возможно достичь улучшенного оптического разрешения сверх обычного предела прибл. 200 нм по горизонтали, 600 нм по оси. Однако публикация 1978 года сделала неправильный физический вывод (то есть точечное пятно света) и полностью упустила увеличение осевого разрешения как фактическую выгоду от добавления другой стороны телесного угла. С 1992 года 4Pi-микроскопия была разработана Стефаном Хеллом (Институт биофизической химии Макса-Планка, Геттинген) в высокоэффективный процесс визуализации с высоким разрешением, в котором используются две линзы объектива микроскопа с высокой числовой апертурой, расположенные друг напротив друга.

Разработка первого метода лазерного и УФ-микрооблучения ДНК живых клеток.

В начале 1970-х братья реализовали прибор для ультрафиолетового лазерного микрооблучения, который впервые позволил контролируемым образом облучать только крошечную часть живой клетки с максимумом поглощения ДНК (257 нм). Это заменило обычное частичное УФ-облучение, которое практиковалось более 60 лет. Таким образом, впервые стало возможным целенаправленно вызывать изменения в ДНК (то есть в заранее определенных местах клеточного ядра живых клеток) без ущерба для способности клеток делиться и выживать. Можно было облучать определенные очень маленькие участки клеток и, таким образом, количественно оценивать динамику макромолекул (ДНК), содержащихся в них. Кроме того, благодаря высокой скорости процесса с использованием времени облучения в доли секунды стало возможным облучать даже движущиеся органеллы клетки . Это развитие послужило основой для важных экспериментов в области исследования структуры генома (установление существования так называемых хромосомных территорий в живых клетках млекопитающих ) и привело несколько лет спустя (1979/1980) к успешному сотрудничеству с биологом Кристианом. Нюссляйн-Фольхард ( Институт биологии развития Макса Планка , Тюбинген ). В этом сотрудничестве Кремер использовал свое ультрафиолетовое лазерное оборудование для микрооблучения для выявления клеточных изменений на ранних личиночных стадиях плодовой мухи Drosophila melanogaster .

Разработка конфокальной лазерной сканирующей микроскопии для флуоресценции.

На основе опыта, накопленного при создании и применении прибора для ультрафиолетового лазерного микрооблучения, братья Кремер в 1978 году разработали процесс лазерного сканирования, при котором трехмерная поверхность объекта сканируется по точкам с помощью сфокусированного лазера. луч и создает общую картину электронными средствами, аналогичными тем, которые используются в сканирующих электронных микроскопах. Именно этот план создания конфокального лазерного сканирующего микроскопа (CSLM), который впервые объединил метод лазерного сканирования с 3D-обнаружением биологических объектов, помеченных флуоресцентными маркерами , позволил Кремеру занять должность профессора в Гейдельбергском университете. В течение следующего десятилетия конфокальная флуоресцентная микроскопия была доведена до технически зрелого состояния, в частности, группами, работающими в Амстердамском университете и Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге, а также их партнерами по отрасли. В последующие годы эта технология была широко принята биомолекулярными и биомедицинскими лабораториями и по сей день остается золотым стандартом в трехмерной световой микроскопии с обычным разрешением.

Развитие методов микроскопии сверхвысокого разрешения

Во многих случаях цель микроскопии - определить размер отдельных небольших объектов. Обычная флуоресцентная микроскопия может установить размеры только примерно до предела обычного оптического разрешения примерно 200 нм (латеральный). Спустя более 20 лет после подачи заявки на патент 4 пи Кристоф Кремер вернулся к проблеме дифракционного предела. С микроскопом Vertico SMI он мог реализовать свои различные методы сверхвысокого разрешения, включая SMI, SPDM, SPDMphymod и LIMON. Эти методы в основном используются в биомедицинских целях.

Пространственно-модулированное освещение SMI

Примерно в 1995 году он начал разработку процесса световой микроскопии, который позволил значительно улучшить разрешение по размеру клеточных наноструктур, окрашенных флуоресцентным маркером. На этот раз он использовал принцип широкопольной микроскопии в сочетании со структурированным лазерным освещением (пространственно-модулированное освещение, SMI). В настоящее время достигается разрешение по размеру 30-40 нм (примерно 1/16 - 1/13 используемой длины волны). Кроме того, эта технология больше не подвержена ограничениям скорости фокусирующей микроскопии, поэтому становится возможным проводить трехмерный анализ целых клеток за короткое время наблюдения (на данный момент около нескольких секунд). Устранение неоднозначности SMI: S = пространственно, M = модулированное I = освещение.

Локализационная микроскопия SPDM

Также примерно в 1995 году Кремер разработал и реализовал новые подходы к широкопольной микроскопии на основе флуоресценции, целью которых было улучшение эффективного оптического разрешения (с точки зрения наименьшего обнаруживаемого расстояния между двумя локализованными объектами) до доли обычного разрешения (спектральное разрешение). прецизионная микроскопия с определением расстояния / положения, SPDM; SPDM для устранения неоднозначности: S = спектральный, P = прецизионный, D = расстояние, M = микроскопия).

Локализационная микроскопия SPDMphymod

С помощью этого метода можно использовать обычные, хорошо зарекомендовавшие себя и недорогие флуоресцентные красители, такие как GFP, RFP, YFP, Alexa 488, Alexa 568, Alexa 647, Cy2, Cy3, Atto 488 и флуоресцеин. в отличие от других технологий локализационной микроскопии, которые требуют двух длин волн лазера, когда используются специальные фотопереключаемые / фотоактивируемые флуоресцентные молекулы. Еще одним примером использования SPDMphymod является анализ частиц вируса табачной мозаики (TMV). или вирус-клеточное взаимодействие.

Устранение неоднозначности SPDMphymod: S = Spectral, P = Precision D = Distance, M = Microscopy, phy = Physical, mod = изменяемый

3D световая микроскопия наноразмерная (LIMON) микроскопия

Сочетание SPDM и SMI, известное как микроскопия LIMON. Кристоф Кремер в настоящее время может достичь разрешения прибл. 10 нм в 2D и 40 нм в 3D на широкоугольных изображениях целых живых клеток. В настоящее время широкоугольные трехмерные «наноизображения» целых живых клеток все еще занимают около двух минут, но в настоящее время ведутся работы по их дальнейшему уменьшению. Vertico-SMI в настоящее время является самым быстрым оптическим трехмерным наноскопом для трехмерного структурного анализа целых клеток во всем мире. В качестве биологического приложения в двухцветном трехмерном режиме было достигнуто пространственное расположение кластеров Her2 / neu и Her3. Положения во всех трех направлениях кластеров белка можно было определить с точностью около 25 нм.

Рекомендации

Внешние ссылки