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Ausstellungsgestaltung:
Modul der Preisträger 2022

„Die Grundlagen des Lebens erforschen – ein neuartiges Mikroskop für die schonende 3-D-Abbildung lebender Zellen“

Dr. rer. nat. Thomas Kalkbrenner, Dr. rer. nat. Jörg Siebenmorgen und Dipl.-Phys. Ralf Wolleschensky wurden 2022 für ihre Innovation mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet.

Das Modul der Preisträger 2022

Die Preisträger haben ein neuartiges hochauflösendes Mikroskop-System geschaffen, das völlig neue Perspektiven für die Forschung  eröffnet. Es verbindet die sogenannte Gitter-Lichtblatt-Mikroskopie mit einer Reihe innovativer optischer Techniken und schützt dadurch lebende Proben bei der Untersuchung mit einem Fluoreszenzmikroskop vor einer Schädigung durch das verwendete Laserlicht. Das leicht zu handhabende System ermöglicht so eine breite Palette neuer Anwendungen in der Grundlagenforschung ebenso wie bei der Suche nach neuen medizinischen Diagnoseverfahren oder Medikamentenwirkstoffen.

Dazu setzte das prämierte Team auf die Technologie der Lichtblatt-Mikroskopie, bei der die Richtungen von Beleuchtung und Detektion voneinander getrennt sind. Das reduziert bereits die Strahlenbelastung des Objekts drastisch, reicht aber nicht aus, um das Innere einzelner Zellen zu beobachten: Dazu müssen besondere Strahlformen eingesetzt werden – die Lattice Lightsheets oder Gitter-Lichtblätter. Deren komplexe Technologie verband das Team mit einem neuartigen Konzept, um die Lichtblätter automatisch zu erzeugen.

Das kompakte System lässt sich in eine vorhandene Laborumgebung integrieren und mit der gewohnten Art der Präparation der Proben kombinieren. Dass dies gelingt, gewährleistet eine neuartige Mikroskop-Optik, die die dabei auftretenden Abbildungsfehler komplett kompensiert.

Diese Kombination mehrerer Innovationen sorgt dafür, dass sich mikroskopische Aufnahmen mit exzellenter Bildqualität erstellen lassen – und das über mehrere Stunden oder gar Tage hinweg, ohne das untersuchte Objekt zu beeinträchtigen.

Die verschiedenen Komponenten der Umsetzung spiegelt das Modul der Preisträger 2022. Weithin sichtbar das „Einfallstor“, ein 3-D-Display, das mit einer Reihe von faszinierenden Sequenzen aus Fluoreszenzaufnahmen von Zellen belegt, wie man mit diesem neuartigen Mikroskop „Dem Leben beim Leben zusehen“ kann.

Im Modul selbst (im Uhrzeigersinn) werden dann mit Hands-on- Umsetzung und Exponaten die wesentlichen Elemente der Innovation bebildert und erläutert.

Ein Erklärscreen beinhaltet die Beschreibung der Fluoreszenzmikroskopie und stellt die wichtigen Innovationsschritte bis zum preisgekrönten Mikroskop dar.

Eine Demonstration, hier Blutzellen 3.300-fach vergrößert, erläutert das Prinzip der Lichtblatt-Mikroskopie: zum einen durch die flächige Beleuchtung der gesamten Zellen und zum anderen durch die Laserbeleuchtung einzelner Ebenen dieser Zellen. Durch letztere wird die Lichtschädigung der Zellen verhindert und trotzdem ist eine helle und scharfe Beobachtung des Objekts im Fokus möglich.

Die mittlere Vitrine des Moduls zeigt die technischen Finessen der Umsetzung: Das sind einmal die senkrecht zueinander stehenden beiden Objektive des neuen Lattice Lightsheet Mikroskops. Weiterhin sieht man die geschliffenen Freiformlinsen, die den durch den „Blick schräg von unten“ durch den Glasboden erzeugten Abbildungsfehler des inversen Mikroskops korrigieren. Dazu kommt, um das Ganze noch deutlicher zu machen, ein Exponat des Schliffs in zweieinhalbfacher Vergrößerung.

Ein Display zeigt die Zellteilung im herkömmlichen Fluoreszenzmikroskop im Vergleich zum Lattice Lightsheet Mikroskop: Man sieht, dass die Zellen von zu starkem Licht im klassischen Fluoreszenzmikroskop geschädigt werden und die Zellteilung einstellen. Im Lattice Lightsheet Mikroskop hingegen kann die Zellteilung ungestört durch die Beobachtung bis zum Ende ablaufen.

Mit einer weiteren Demonstration wird gezeigt, wie die in der Lattice Lightsheet Mikroskopie verwendeten Strahlformungsmodule funktionieren. Das Herzstück, ein räumlicher Lichtphasenmodulator, generiert die Lattice Lightsheets und damit die Lichtverteilungen, die zur schonenden Beobachtung der Objekte im Mikroskop notwendig sind.

Im Medienterminal des Moduls sprechen die drei Preisträger über den Weg der Entwicklung ihrer Innovation und die Besonderheiten ihrer Zusammenarbeit. Interessant ist, dass ein neu gedachtes Mikroskop auch in einem Unternehmen mit einer Tradition im Mikroskop-Bau seit 1847 zuerst einmal belegen musste, dass es wirklich neue Perspektiven erschließt.

Welche Chancen sich für die medizinische Forschung und die Lebenswissenschaften daraus ergeben, Zellen beim Leben beobachten zu können, weisen die Aussagen zum wirtschaftlichen Potenzial aus. Nicht zuletzt findet man hier auch den ZDF-Einspieler zur Preisverleihung, der die Abfolge der Entwicklungsschritte nochmals darstellt.