Die besten wissenschaftlichen Bilder

Ein Taufliegen-Embryo verändert sich in nur etwa zwölf Stunden drastisch:

Undifferenzierte Zellen (2 Uhr) nehmen unterschiedliche Identitäten an (4 Uhr), wandern in individuelle Positionen (6-10 Uhr) und bringen differenzierte Zelltypen hervor (12 Uhr), darunter Nervenzellen und Muskelzellen. Die Embryonen sind mit dem Kopf nach links orientiert. 2 Uhr: Zellkerne (blau); 4-10 Uhr: Schlüsselgene für neuronale Identität (RNA-in-situ-Hybridisierung, rot, vnd; grün, ind; blau, Dr). 12 Uhr: differenzierte Zelltypen (Antikörper-Färbung; rot, Zellkörper von Neuronen; grün, Axone von Projektionsneuronen; blau, Muskelzellen).

1. Platz: Eine bunte Mini-Spinne

Dies ist eine etwa 2 mm große Spinne, die zu Testzwecken an einem Lichtblattmikroskop aufgenommen wurde. Rechts im Bild ist der Hinterleib zu sehen (blau), links der Kopfbereich (grün). Die Mundwerkzeuge sind unterhalb des Kopfbereiches zu sehen (rot/gelb), die Taster auf dem Kopf der Spinne (auch rot/gelb). Die bunten Punkte, die über das gesamte Bild verstreut sind, rühren von kleinen fluoreszierenden Kugeln her (s. Projektbeschreibung). Das aufgenommene Licht ist Fluoreszenzlicht und entstand durch das Exoskelett der Spinne (Autofluoreszenz) nach der Fluoreszenz-Anregung mittels Laser.

Über das Projekt:
Das Bild entstand während der Bewertung der Aufnahme- und Analysetechnik eines der Lichtblatt-Mikroskope (Lightsheet Z.1) im LichtmikroskopieGerätezentrum des MDC (ALM Core Facility) mittels einer kleinen, zufällig gefundenen Spinne. Diese ist eingebettet in Agarose, zusammen mit 6 μm-großen fluoreszierenden Kügelchen (Beads) für die anschließende räumliche Rekonstruktion des Gesamtbildes basierend auf acht verschiedenen Aufnahme-Winkeln à 45° (Registrierung). Der gesamte Datensatz hat eine Größe von 25 GB.

2. Platz: Gliazellen, die wie kosmische Wolken aussehen

Zu sehen sind Gliazellen (Astrozyten) in einer aus iPS-Zellen gewonnenen neuronalen Zellkultur eines Leigh-Syndrom-Patienten (iPS-Zelle = induzierte pluripotente Stammzelle). Im Gehirn sind Gliazellen neben Neuronen ein wichtiger Bestandteil des Nervengewebes. Für eine reibungslose Funktion müssen die verschiedenen Zelltypen miteinander interagieren und kommunizieren. Eine Immunfluoreszenzfärbung zeigt hier die Proteine Vimentin (grün) und GFAP (rot), welche Bestandteile des Zytoskeletts sind und somit der mechanischen Stabilisierung der Zellen dienen.

Über das Projekt:
In diesem Projekt wollen wir mithilfe der iPS-ZellTechnologie ein Modell der Krankheit Leigh-Syndrom etablieren. Das Leigh-Syndrom ist eine im Kindesalter auftretende, genetisch bedingte Multisystemerkrankung, die von einer Fehlfunktion der Mitochondrien ausgelöst wird. Die Krankheit führt zu Entwicklungsstörungen, rasch fortschreitenden neurologischen Symptomen, Blindheit und Hörverlust sowie Bewusstseinsund Atemregulationsstörungen und endet nach einigen Jahren tödlich. Wir wollen die Nervenund Gliazellen von Leigh-Patienten mit Kontrollzelllinien aus gesundem Material vergleichen und dadurch Phänotypen finden.

3. Platz 2017: Rot leuchtende Darmkrebs-Organoide

Dies ist eine fluoreszenzmikroskopische Aufnahme einer dreidimensionalen Organoid-Kultur eines metastasierenden Darmkrebsmodells. Die Tumorzellen bilden in dieser Kultur ballonartige Spheroide, die aus sich selbst erneuernden und sich schnell teilenden Zellen bestehen. Diese Morphologie steht im Kontrast zur Organoid-Kultur von unveränderten Zellen, die kleine „Mini-Därme“ mit allen spezialisierten Zellen hervorbringen. Die hier abgebildeten Tumor-Organoide wurden weiter modifiziert, so dass sie ein rot fluoreszierendes Protein produzieren und gezielt bestimmte Gene anund ausgeschaltet werden können.

Über das Projekt:

Darmkrebs ist eine weltweit verbreitete Erkrankung. Eine verbesserte Früherkennung hat zwar zu einer Verringerung der Sterblichkeitsraten geführt, aber Patienten mit Metastasen-bildenden Tumoren erliegen immer noch der Erkrankung. In diesem Projekt verwenden wir die moderne dreidimensonale Organoid-Kultur, da sie das komplexe Zellsystem des lebenden Organs sehr gut widerspiegelt und Untersuchung der Wirksamkeit von potenziellen Arzneien sowie neuer Angriffspunkte in der Darmkrebstherapie ermöglicht.

Signalvermittlung in Entwicklung und Krebsentstehung
1. Platz 2016

Das Bild zeigt eine Neurofilament-Färbung zur Detektion des sich entwickelnden Nervensystems im Mausembryo. Feine Nervenfasern (in grün) durchziehen den Embryo. Die Zellkerne sind in lila dargestellt. Das Bild zeigt eine 3D-Rekonstruktion, die aus 360 Einzelbildern zusammengesetzt wurde.
Das Nervensystem wird während der Embryogenese angelegt und entwickelt sich nach der Geburt weiter und bleibt ein flexibles und anpassungsfähiges Organ. Die feinen neuronalen Strukturen (grün) sind während der gesamten Schwangerschaft äußerst empfindlich und anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. So können Alkoholkonsum, Rauchen, Strahlung, und bestimmte Erkrankungen der Mutter zu einer Schädigung des sich entwickelnden Nervensystems führen.
AG: Walter Birchmeier und Anje Sporbert

1. Platz 2015

Das Bild zeigt isolierte Mäusespermien:Die Spermien haben sich während ihres Reifungsprozesses von allen unnötigen Zellbestandteilen befreit. Die DNS, Träger unserer Erbinformationen, ist stark verdichtet und im sichelförmigen Zellkern gelagert (blau). Der erste Teil des Schwanzes ist von Mitochondrien umhüllt (grün). Diese produzieren ATP, den Treibstoff der Zelle, der nötig ist, um den Schwanz schnell hin und her zu bewegen. Die Kappe auf dem Kopf des Spermiums, das so genannte Akrosom (rot), beinhaltet einen Enzymcocktail. Trifft das Spermium auf eine Eizelle wird er herausgelassen und löst die Eizellwand auf. Nun kann das Spermium in die Eizelle eindringen, mit ihr verschmelzen und neues Leben entsteht.
In vielen Fällen bleiben die Gründe für Unfruchtbarkeit noch ungeklärt. Es gibt mehr und mehr genetische Ursachen, die die Reifung von Spermien des Mannes beeinträchtigen. So auch bei männlichen Mäusen, bei denen wir einen bestimmten Natriumtransporter ausgeschaltet haben. Ihre Spermienköpfe sind nicht sichelförmig, sondern rundlich, das so wichtige Akrosom bildet sich nicht, und die Spermien können keine Eizelle befruchten. Die Mitochondrien sind auch nicht an ihrem Platz, also wird kein Treibstoff für die Bewegung des Schwanzes prodiziert, und die Spermien sind quasi bewegungsunfähig. Diese Mäuse können dabei helfen, mögliche Ursachen für männliche Unfruchtbarkeit aufzuklären.

AG: Thomas J. Jentsch

Das Bild zeigt eine Herzmuskelvorläuferzelle der Ratte. Der Zellkern wurde blau angefärbt, zwei Proteine, die am Abbau von defekten oder nicht mehr benötigten Proteinen beteiligt sind, wurden mit einem roten bzw. grünen fluoreszierenden Protein markiert. Sie sind an denselben Stellen lokalisiert, wodurch sich eine Farbüberlagerung (gelb) ergibt.
Der Abbau von Proteinen in Zellen wird hauptsächlich durch das Ubiquitin-Proteasom-System koordiniert. Das kleine Protein Ubiquitin wird als Abbausignal auf das zu degradierende Protein übertragen und kann anschließend durch das Proteasom erkannt und abgebaut werden. Wichtig für diesen Prozess sind so genannte E3-Ubiquitin-Ligasen. Sie binden das abzubauende Protein und koordinieren anschließend die Übertragung des Ubiquitins. Die wichtigsten E3-Ubiquitin-Ligasen des Muskels sind die sogenannten muskel-spezifischen RING-Finger-Proteine (MuRF). Im Zuge eines Projektes zur weiteren Charakterisierung der MuRFs wurde u.a. die Verteilung der MuRF-Proteine in Herzmuskelzellen untersucht.

AG: Thomas Sommer

Um die Organisation und die Entwicklung der Bauchspeicheldrüse besser verfolgen zu können, beobachten wir das Wachstum der Bauchspeicheldrüse von Mausembryonen ab Tag 11,5 der Embryonalentwicklung außerhalb des Körpers, auf einer Schale. Hier zeigen wir ein solches Explantat, bei dem die Membran der Zellen blau angefärbt ist (eine Anfärbung für das Molekül E-Cadherin). In Pink ist das Hormon Insulin angefärbt, das nur in den Beta-Zellen produziert wird.
Diabetes ist eine unheilbare Krankheit, die mehr als 250 Millionen Menschen weltweit betrifft. Diabetikern fehlen funktionelle endokrine Zellen der Bauchspeicheldrüse, die Beta-Zellen, die das Hormon Insulin ausscheiden und so unseren Blutzucker regulieren. Zellbasierte Therapien sind erfolgversprechende Ansätze für die Heilung von Typ-1-Diabetes, bedürfen aber einer gründlichen Erforschung der Embryonalentwicklung der Bauchspeicheldrüse. Das Projekt der Bildautorin untersucht, wie Beta-Zellen aus endokrinen Vorläuferzellen entstehen und sich in dreidimensionale Strukturen, den Langerhanschen Inseln, organisieren.

AG: Francesca Spagnoli

Der Hippocampus ist ein Teil des Großhirns, in dem Erinnerungen gebildet und verknüpft werden. Wegen seiner geordneten Struktur ist er ein beliebtes neurophysiologisches Untersuchungsmodell. Dieses Bild zeigt einen Ausschnitt des Hippocampus, die Region CA1. Interneurone wurden mit einem Antikörper gegen ErbB4 markiert (magenta). Nrg3 wurde mit einem zweiten Antikörper detektiert (cyan). Die Überlagerung von ErbB4 und Nrg3 auf der Oberfläche der Interneurone wird durch die dunkelblaue Färbung sichtbar.
Die Familien der Neuregulin-Liganden und ErbB-Rezeptoren sind Moleküle, die Signale zwischen verschiedenen Zellen übertragen. Neureguline werden von einem Zelltyp freigesetzt und binden den ErbB-Rezeptor auf der Oberfläche einer benachbarten Zelle, ähnlich wie Schlüssel und Schloss. Diese Bindung aktiviert den Rezeptor, der dann Proteine im Zytoplasma der Zelle enzymatisch verändert und dadurch das Signal ins Zellinnere weiterleitet.
Neureguline und ErbB-Rezeptoren haben wichtige Funktionen während der Embryonalentwicklung. Sie wirken aber auch weiter im erwachsenen Organismus. Seit 2002 ist bekannt, dass bestimmte Varianten der Gene, die für Neuregulin-1 und -3 und den Rezeptor ErbB4 kodieren, gehäuft in Schizophrenie-Patienten auftreten. Die Arbeitsgruppe untersucht die Funktion von Neuregulin-3 (Nrg3) und ErbB4 im Gehirn von Mäusen. Die Forscherinnen und Forscher haben festgestellt, dass ErbB4 von einer kleinen Population bestimmter Nervenzellen, den „fast-spiking“ Interneuronen, produziert wird. Nrg3 bindet an ErbB4 auf der Oberfläche dieser Neurone. Die Gruppe analysiert gegenwärtig, auf welche Weise Nrg3 die Eigenschaften der ErbB4-positiven Interneurone und damit die Funktionsweise des Gehirns beeinflusst.

AG: Carmen Birchmeier-Kohler

Hier gezeigt sind Nervenzellen (violett) des Hippocampus – einer Hirnregion, die besonders anfällig für Epilepsie ist. Die blaue Färbung macht Zellkerne sichtbar, in denen das pathogene Redigieren des Eiweißcodes stattfindet.
Das Projekt: Weltweit leiden ungefähr 50 Mio. Menschen an der chronischen Krankheit Epilepsie. Unterschiedlich häufig erfahren die Betroffenen Krampfanfälle, die das alltägliche Leben erheblich einschränken. Leider werden bei sehr vielen Patienten die Medikamente früher oder später unwirksam. Eine Lösung ist dann die chirurgische Entnahme des betroffenen Bereichs im Gehirn, des so genannten Hippocampus. Die Arbeitsgruppe von Jochen Meier untersucht gewisse Vorgänge auf Molekülebene, die mit dazu beitragen, dass die Patienten unter ihrer Erkrankung leiden. Genau genommen geht es uns darum, dass die Nervenzellen im Nachhinein den ihnen vorgeschriebenen Code zur Herstellung von Eiweiß quasi per Tipp-Ex verändern. Folge hiervon sind abartige Eiweiße, welche die Nervenzelle in ihrer Aktivität beeinflussen.

AG: Jochen Meier

Das Bild zeigt eine Herzmuskelvorläuferzelle der Ratte. Der Zellkern wurde blau und das Aktinzytoskelett grün gefärbt. Ein Protein, welches am Abbau von nicht mehr benötigten Proteinen beteiligt ist, wurde gelb markiert. Es lokalisiert in kleinen pünktchenförmigen Strukturen in der Peripherie des Zellkernes.
Der Abbau von Proteinen in Zellen wird hauptsächlich durch das Ubiquitin-Proteasom-System koordiniert. Das kleine Protein Ubiquitin wird als Abbausignal auf das zu degradierende Protein übertragen und kann anschließend durch das Proteasom erkannt und abgebaut werden. Wichtig für diesen Prozess sind so genannte E3-Ubiquitin-Ligasen. Sie binden das abzubauende Protein und koordinieren anschließend die Übertragung des Ubiquitins. Die wichtigsten E3-Ubiquitin-Ligasen des Muskels sind die sogenannten muskel-spezifischen RING-Finger-Proteine (MuRF). Im Zuge eines Projektes zur weiteren Charakterisierung der MuRFs wurde u.a. die Verteilung der MuRF-Proteine in Herzmuskelzellen untersucht.

AG: Thomas Sommer

Polypen der Darmschleimhaut repräsentieren eine Vorstufe des Darmkrebses. Die Entstehung solcher Polypen und des eigentlichen Tumors wird vorwiegend durch einen aktivierten Wnt-Signalweg in den Zellen hervorgerufen. Dieses Bild zeigt einen Schnitt durch einen humanen Darmpolypen mit Resten von gesunder Schleimhaut in 200-facher Vergrößerung. Es entstammt einem auf Antikörper basierenden Anfärbungsverfahren (Immunhistochemie) mit Fluoreszenzmarkierung. Pink gefärbt ist ein wachstumshemmender CCAAT/enhancerbindingprotein Transkriptionsfaktor, grün gefärbt das bekannte Proto-Onkoprotein beta-catenin und blau die Zellkerne (Nuclei). Zellen mit nuklear (im Zellkern) lokalisiertem beta-catenin (hellgrün durch Überlagerung mit blau) haben einen aktivierten Wnt-Signalweg.
Diese fluoreszente Immunhistochemie entstammt einem Projekt zur Untersuchung der Karzinogenese des colorectalen Karzinoms. Im Rahmen dieses Projektes wird ein möglicher Zusammenhang der Expression und der Tumorsuppressoreigenschaften eines proliferationshemmenden und differenzierungsfördernden CCAAT/enhancerbindingprotein Transkriptionsfaktors mit dem für das colorectale Karzinom ausschlaggebenden Wnt-Signalweg und seinem Signalmolekül beta-Catenin untersucht. Besonders interessant sind die Veränderungen der Expressionsstärken des Transkriptionsfaktors innerhalb der Karzinogenesestufen und deren mögliche Korrelation zum klinischen Verhalten der Karzinome.

AG: Achim Leutz