Göttingen (1)


Carl Zeiss Werk Göttingen

Im Applikationszentrum in Göttingen werden Lichtmikroskope entwickelt, hergestellt und vertrieben. Dort ist auch der Sitz des Produktmanagements. Beim Vertrieb geht es nicht um schnelles Verkaufen, sondern ZEISS sieht sich als Partner, der ggf. sogar vom Kauf abrät, falls der Kunde gewisse Eigenschaften erwünscht, die ein Zeiss- Mikroskop nicht bietet. Der Verkauf geschieht also auf Vertrauensbasis.

Jeder Mitarbeiter in den Werkstätten kann jede Maschine bedienen. Das kommt daher, dass jede Woche ein Austausch stattfindet, so dass jeder mal an jeden Arbeitsplatz kommt. Da die einzelnen Fertigungsprozesse ineinandergreifen, werden dadurch die Angestellten vor gegenseitiger Kritik geschützt.

Vor allem in der Biologie werden heute immer noch primär Lichtmikroskope verwendet, da lebendige Lebewesen nicht mit einem Elektronen-Mikroskop betrachtet werden können. Dabei ist es Aufgabe der Physiker, entsprechende Technologien zu entwickeln und in Zusammenarbeit mit den Biologen für deren Anwendungszwecke zu optimieren. Um den Anforderungen der Wissenschaft zu genügen, werden heute viele Lichtmikroskope zusätzlich mit rechnerischen Komponenten ausgestattet, 

Das erste Miksroskop 1847
(Bildquelle: Zeiss, "Zukunft von Anfang an", S. 8)

Für die direkte Beobachtung gibt es binokulare und Stereo-Mikroskope. Bei den binokularen wird lediglich für beide Augen ein und dasselbe Bild erzeugt, das ermöglicht ein entspanntereres Betrachten des Objektes. Bei den Stereo-Mikroskopen werden zwei verschiedene Bilder aus leicht unterschiedlichen Blickwinkeln erzeugt. Obwohl dafür ein erheblicher optischer Aufwand getrieben werden muss, können die  zu betrachtenden Objekte mit beiden Augen nun räumlich wahrgenommen werden. 

Bei inversen Lichtmikroskopen befindet sich das Objektiv nicht über, sondern unterm dem Objekt. Das Objekt, das sich z.B. schwimmend in einer Petrischale befinden kann, wird von oben beleuchtet. Der Vorteil ist, dass man mit solchen Mikroskopen sehr dicht mit dem Objektiv an das zu betrachtende Objekt herankommt und auch größere lebende Organismen betrachten kann.

Modernes Miksroskop 2000 (Axiovert 200)
(Bildquelle: Zeiss, "Zukunft von Anfang an", S. 9)
Man hat in Algen, sowie Quallen und sogar in Korallen ein Protein gefunden, dass den Entwicklungsprozess nicht stört, aber bei Beleuchtung mit UV grün fluoresziert. Dieses Protein hat die Abkürzung GFP, was für grün-fluoreszierendes Protein steht. In dem Max-Planck-Institut für bio-physikalische Chemie wird das GFP bei der Genetik eingesetzt, um die Zellwanderung im embryonalen Stadium von Mäusen verfolgen zu können. Dabei wird das Protein an ein Gen gekoppelt, so dass bei der Verdopplung des Gens automatisch das GFP mit duppliziert wird. 

Vor allem bei der Betrachtung von Endothelzellen oder Faloidin (Knäulenblätterpilz) werden Fluoreszenz-Stoffe eingesetzt, sowie bei der Immunfluoreszenz, bei der die Funktion von Anti-Körpern untersucht wird. Dabei werden Interferenzfilter zur Trennung von verschiedenfarbigem Licht eingesetzt.

Aufnahme einer mit Fluoreszenzfarbstoffen markierten Zelle
(Bildquelle: Miksroskopie von Carl Zeiss, "Axiovert 200", Titelblatt)
Den Strahlengang in einem modernen Lichtmikroskop zeigt die nebenstehende Abbildung (aus: Mikroskopie von Carl Zeiss, "Axiovert 200, S. 29). Neben der direkten Beobachtung mit dem menschlichen Auge kann das Bild des Objektes auch über verschiedene weitere Zwischenbildebenen ausgekoppelt und weiterverarbeitet werden. Anders als bei herkömmlichen Mikroskopen befindet sich hier das Objektiv unterhalb des Objektes.

MPI für Sonnensystemforschung

Das Max-Planck-Institut mit seinen heute 250-300 Mitarbeitern war ursprünglich eine Funkberatungstruppe für die Reichswehr, die sich mit der Ionosphäre beschäftigte und die besten Funkbedingungen ermittelte. Ab 1930 wurde unter Erich Regener auch die Stratosphäre (- 50 km) erforscht. 
Das neue Emblem des Instituts für Sonnensystemforschung.
Heute sind die Sonne und deren Heliosphäre, die Planeten und Kometen Forschungsgebiete. Das Institut ist u.a. an der Entwicklung und dem Bau von Instrumenten für unbemannte Raummissionen beteiligt und tauscht sich dabei mit NASA und ESA aus. Gewicht zu sparen, weniger Strom zu verbrauchen, Kosten zu senken und die Leistung und Vielseitigkeit der Sonden und anderer Betriebssysteme zu vergrößern sind Ziele, die bei jedem Vorhaben eine große Rolle spielen. 
Bei einer Tasse Cappucino konnten wir uns über Doktorarbeiten informieren.
Um den Sonnenwind, ihre Atmos- und Magnetosphäre und die Oberfläche von Kometen und Planeten mit Sonden zu untersuchen braucht man eine leistungsfähige Energiequelle für die elektronischen Geräte. Diese Energie gewinnt man aus einer Plutoniumbatterie, deren Reaktionswärme Energie liefert, die zwar nicht unerschöpflich ist, doch von Lebensdauer, Größe und Gewicht her nur mit radioaktiven Stoffen zu schaffen ist; Solarzellen sind in größerer Entfernung zur Sonne für die Energieversorgung nicht mehr ausreichend. Jedes Kilo auf einer Langstrecken-Weltraummission kostet 1 Mio. Dollar, so dass die Cassinimission schließlich mehr als 1 Mrd. und die Marsmission 150 Mio. Dollar gekostet hat. Im Jahr 2004 ist nun die Sonde Rosetta zu einem Kometen aufgebrochen, um ihn gas- und massenspektrographisch zu untersuchen. Die Mission Giotto hat bereits 1986 zum ersten Mal ein Bild eines Kometenkerns geschossen.
Modell der Raumsonde Giotto.
Viele Kometen haben Bahnen, die die unserer großen Planeten sehr selten kreuzen, doch durch Bahnstörungen gelangen auch immer wieder Kometen neu aus der Oorthschen Wolke, die ein Kugelkonstrukt um die Sonne ist, in den Bereich der inneren Planeten. Zwischen Mars und Jupiter liegt ein Asteroidengürtel; beim Pluto der Kuipergürtel, in dem sich noch viele kleinere Planeten befinden, die nicht immer kleiner als der Pluto sind und deren Existenz uns verblüfft hat.   

 

Mit Rot-Blau-Brillen bewaffnet erhielten wir einen räumlichen Blick auf den Mars. Dieses ist die zugehörige stereoskopische Zweifarben-Aufnahme der Marsoberfläche.
Herr Dr. Wöbke hat uns dann noch ein paar überraschende Fakten und Zahlen der Superlative und die Zeit von der Entstehung des Alls bis heute nahegebracht:

1) Unser Sonnensystem (nimmt man die Oorthsche Wolke als Grenze) ist ca. 10 Bil. Km groß  (ca. 1Lj - Lichtjahr, der Weg, den das Licht in einem Jahr zurück legt. Für die Strecke Sonne-Erde braucht es ca. 8 min)

2) Die Milchstraße ist 100.000 Lj breit

3) Wir können 14 Mrd. Lj weit sehen

4) Die Sonne besitzt 99,8% der Masse unseres Sonnensystems und ist 15 Mio. °C heiß; Oberfläche 6000°C

5) Wasserstoff verschmilzt zu Heliumkernen, davon werden 4 Mio. t pro Sekunde umgesetzt - damit beruht auch die Solarenergie auf der Kernenergie!

Vor 14 Mrd. Jahren             Urknall
In der 1. Sek. Teilchen und Antiteilchen entstehen und vernichten sich
Ab der 3. Min. Wasserstoff und Heliumkerne bilden sich
Nach 300.000 Jahren  Universum wird durchsichtig
Nach 2 Mrd. Jahren  Galaxien und Sterne entstehen
Seit 13 Mrd. Jahren  Sterne bilden in Sternexplosionen schwere Elemente
Vor 5 Mrd. Jahren Unser Sonnensystem bildet sich aus Gas und Staub
Vor 4,5 Mrd.. Jahren  Durch einen schweren Einschlag auf der Erde wird der Mond abgespalten
Vor 3 Mrd. Jahren  Erde kühlt ab, Ozeane regnen vom Himmel, genetischer Code ist geprägt
Vor 2 Mrd. Jahren  Organismen erzeugen Sauerstoff für die Atmosphäre
Seit 800 Mio. Jahren  Pflanzen und Tiere entwickeln sich
Vor 14 Mio. Jahren  Die Menschwerdung setzt ein
Seit 4000 Jahren Menschheit schreibt Geschichte
Auch der Besuch bei MPI für Sonnensystemforschung hat sich gelohnt, denn das leicht verzerrte Bild, das wir von der deutschen Raumfahrt hatten, wurde berichtigt. Nicht nur die anderen Nationen betreiben Raumfahrt und Forschung und wir laufen hinterher, sondern wir sind vorne mit dabei und an den wichtigen und aufschlussbringenden Missionen beteiligt.

Biomedizinische NMR Forschungs GmbH am MPI für biophysikalische Chemie

Dr. Merboldt gab uns eine Einführung in die Arbeit dieses Forschungsinstitutes und die Funktionsweise der hier entwickelten Apparaturen.
Die Abkürzung NMR steht für Nuklear (quantenmechanische Eigenschaften der Kerne wie ungerade Nukleonenzahlen werden ausgenutzt) Magnetische (homogenes Magnetfeld von 0,5-3 Tesla wird benutzt) Resonanz (hochfrequente Anregung und abgestrahltes Signal) bzw. im englischen für Nuclear Magnetic Resonance.
Bei der Einführung konnten wir unsere physikalischen Grundkenntnisse gut gebrauchen.

Der schwebende Kupferring demonstriert die enorme magn. Flussdichte.

In ein hochfrequentes homogenes Magnetfeld B0, das von einer Spule erzeugt wird, die aus Supraleitern (bei sehr tiefen Temperaturen kein Widerstand) besteht, wird eine Versuchsperson hineingefahren, die über dem zu untersuchenden Körperteil einen Käfig trägt, in dem Detektorspulen sitzen. 

Die normalerweise ungeordnet im Körper schwingenden Wasserstoffatome werden durch das Feld in dessen Richtung ausgerichtet. Durch Einstrahlen von Wellen mit der Resonanzfrequent kann diese Ausrichtung gestört werden. Die dabei aufgenommene Energie wird daraufhin als elektromagnetische Welle wieder ausgesendet. Diese Wellen können dann aufgrund der verschiedenen, stoffspezifischen Resonanzfrequenzen z.B. einem speziellen Gewebe zugeordnet werden. Es gilt die Formel

 w0 = g * B0 

dabei ist g das gyromagnetische Verhältnis, das als Proportionalitätsfaktor fungiert. Da man g nicht beeinflussen kann, wählt man B0 und w0 so groß wie möglich, damit durch die hohe Kreisfrequenz w0 eine kürzere Wellenlänge und somit eine höhere Auflösung erreicht wird.

Mit dem NMR können anatomische Bilder des Gehirns, Gefäße und aktivierte Hirnareale dargestellt werden. Grundsätzlich könnten auch andere Körperregionen untersucht werden, dies ist aber nicht das Gegenstand der Forschungstätigkeit dieses Instituts. Zwar können mit diesem System Probanden ohne den Gebrauch von Radioaktivität untersucht werden, doch dafür ist das Gerät in seiner Anschaffung auch drei mal so teuer wie z.B. ein CT. Ein Nachteil beim NMR ist jedoch, dass Personen mit Herzschrittmacher gar nicht und diejenigen mit Prothesen nur eingeschränkt untersucht werden können, deshalb kann man sich heute noch nicht voll und ganz darauf stützen.

Beim fMRT (funktionelle Magnetresonanztomographie) werden die körpereigenen "Kontrastmittel" Oxy-Hämoglobin und Deoxy-Hämoglobin benutzt, um aktivierte Hirnareale sichtbar zu machen. Dabei wird ausgenutzt, dass sich das Verhältnis von paramagnetischem Deoxy-Hämoglobin zu diamagnetischem Oxy-Hämoglobin in den betreffenden Hirnarealen bei der Präsentation eines Reizes (Stimulation) ändert. Dies wird als Intensitätsänderung in den NMR-Bildern sichtbar. 


Sarah wird in die Röhre gefahren.

Michaels Kopf unter dem Detektorkäfig
Michael und ich (Sarah) haben uns dann, obwohl und gerade weil wir wussten, was mit uns passieren würde, in das Gerät begeben. Auf einer Bahre, mit einer LCD-Brille zur späteren Reizgebung auf den Augen, den Kopf in einem kleinen Käfig und einer Wolldecke zugedeckt wurden wir in das Magnetfeld gefahren, dabei war darauf zu achten, dass man keine metallischen Gegenstände mitführt, denn diese können zu schweren, wenn nicht tödlichen Verletzungen führen. 
Während der Aufnahme werden der Patient und die Apparatur per Computer überwacht.
Zuerst wurde ein dreidimensionaler Datensatz mit einer 1 mm3 Auflösung des Gehirns aufgenommen. Nach diesen 7 min. wurde uns ein optischer Reiz  durch die Brille gegeben; ein rundes Schachbrett, das irgendwie geflimmert hat. Nach nun erneuten 5 min. konnten wir dann wieder heraus und unseren Kopf auf dem Bildschirm selber ansehen. 
Sarah begutachtet ihr Innenleben So sieht es also in unseren Köpfen aus!
Wir konnten den Kopf in Scheiben geschnitten von oben nach unten, von rechts nach links und von vorne nach hinten angucken und uns in 3D sehen. Eine Fahrt durch den eigenen Kopf ist natürlich spannend und faszinierend, gleichzeitig aber auch etwas ernüchternd, denn nun weiß man ganz genau, wie es “dort oben” aussieht; sonst war das ja eher ein Abstraktum.

MPI Molekulare Zellbiologie

In diesem Institut waren wir am 31. August bei Herrn Prof. Dr. Kessel in einer Abteilung mit ca. 50 Mitarbeitern, die sich mit der Forschung an Mäusen beschäftigt. Zu diesem Zweck werden etwa 6000 Mäuse im sogenannten "Mouse-House" gehalten, unter denen sich sowohl "naturbelassene" Wildtyp-Mäuse als auch genmanipulierte Mutantenmäiuse befinden. Die Arbeitsgebiete dier Forschungsgruppe sind
   - Mittelhirn
   - Großhirn
   - Wirbelsäule und Rückenmark
Ein Forschungsziel ist es unter anderem, die Parkinsonkrankheit zu heilen, indem man die Dopaminergen Neuronen, die bei dieser Krankheit meist fehlen, durch Generierung aus Stammzellen ersetzt. Auf die gleiche Weise soll über Zellen der Bauchspeicheldrüse auch Diabetis behandelt werden.

Einführung in das Thema
Forschungsschwerpunkte an Mäuseembryos

Mit Hilfe von Mäuseembryonen lässt sich die Entwicklung des Gehirns nachvollziehen und feststellen, wann welches Gen aktiv wird um es zu bilden. Isoliert man ein Gen und entfernt es, lässt sich über spätere Verhaltenstests eine eventuelle Fehlbildung des Gehirns und aus dessen Folgen eine Aussage treffen, die den Forschern auch einen Einblick in das menschliche Gehirn und unsere Gene gibt, da unsere DNA mit der der Mäuse zu über 90 % übereinstimmt. Bei Regenwürmern und Drosophila-Fliegen beträgt die Übereinstimmung immerhin noch ca. 70 % und bei Menschenaffen sogar 99,8 %.

Um transgene Mäuse zu erzeugen, wird vor der Verbindung der beiden Chromosomenteile der Eltern ein Genelement hinzugefügt oder ausgeschaltet. In einem frühen  Entwicklungsstadium, wenn die spätere Maus sich noch aus den drei Schichten Mesoderm, Endoderm und Exoderm zusammensetzt, weisen die Zellen eine Omnipotenz auf, mit der in der Stammzellenforschung gearbeitet wird. Mit dieser Technik lassen sich künstlich Gewebe, wie z.B. Organe erzeugen.

Mit Frau Ulrike Teichmann haben wir uns ein paar der genetisch "bearbeiteten" Mäuse angesehen, wobei die weißen diejenigen sind, die nicht verändert wurden und die mit dem dunklen Fell die modifizierten sind. An dem gefärbten Anteil im Fell lässt sich auch erkennen, in welchem Maße sich die Veränderung an einzelnen Genen auf den gesammten Organismus auswirkt. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich in dem Stadium der Chromosomen ein Gen in das Genom einbaut, beträgt weniger als 10 %, sodass längst nicht jeder Versuch zum Erfolg führt. Da die Mutanten nicht miteinander gepaart werden können, weil dieses homozygote Gen zum Tod der Maus führt, werden sie mit Wildtyp-Mäusen gekreuzt, um die Auswirkungen des Eingriffs zu untersuchen.  Das manipulierte Gen ist dabei dominant und setzt sich gegenüber dem anderen durch.
Drei ausgeprägte Mutanten und eine "Mischmaus"
Aufbewahrungsboxen, die eine ungewollte Vermehrung verhindern
Mit GFP markierte Embryonen - eines (gelblich) ist unmarkiert.

Die Kreuzung zweier Mäuse findet zwecks des Eingriffs ind Genom unter dem Mikroskop statt; der sich entwickelnde Embryo mit 32 Zellen wird - wenn es das Ziel des Versuchs ist - einer Leihmutter eingesetzt. Die dabei entstehenden Mäuse mit nunmehr mehr als 2 Eltern heißen Chimären. Bei der Kreuzung ist ebenfalls darauf zu achten, dass die Mäuse nicht zu alt sind, denn auch die Stammzellen altern und werden eventuell fehlerhaft.

Die größte Katastrophe, die in diesem Institut passieren könnte, ist eine unkontrollierte Vermehrung der Mäuse. Damit keine Mäuse in die Umwelt gelangen, sind Bodenschwellen aufgebaut, und die getöteten Mäuse dürfen auch nicht als Futter verwendet werden.

An Embryonen lassen sich auch anhand von fluoreszierenden Markern (GFP), mit denen man Gene genau lokalisieren kann, indem man sie mit UV-Licht anstrahlt und die dann leuchten oder auch Organe und Kreiusläufe sichtbar machen. Zusammenhänge und Abläufe, wie z.B die Verknöcherung von Knorpel können auf eine für die Tiere schmerzfreie Art gekennzeichnet und untersucht werden.

Verknöcherung einer Maus
Insgesamt hat uns der Besuch des Instituts einen Einblick in das gegeben, was mit der heutigen Technik alles möglich ist, in welche Richtung die Forschung gehen wird und wie der Weg zur Heilung von Krankheiten aussehen kann. Die Forschung an Mäusen oder Hühnern, die im embryonalen Stadium von menschlichen Embryos schwer oder gar nicht zu unterscheiden sind, ist deshalb so wichtig, da in Deutschland die Forschung an menschlichen Embryonen verboten ist. Dazu ist jedoch zu sagen, dass die Horrorvorstellungen, wie sie in den Medien publiziert werden, grundlegend falsch sind, denn es werden keine Menschen gezüchtet, die fünf Arme haben. Die Entnahme von Stammzellen ist nämlich schon ab einer Zellenanzahl von etwas mehr als 50 möglich. In diesem Stadium unterscheiden sich menschliche Embryonen nicht von denen vieler anderer Tiere. Wenn man also an Mäusen und Hühern forscht, ist es zum Menschen nur noch die Barriere der Ethik, die aufgrund der Fakten in Frage gestellt werden muss unbd dann wahrscheinlich hinfällig ist.
Andreas betrachtet mit GFP markierte Präparate an den ausgezeichneten Mikroskopen mit bestechender Bildqualität