Christoph Cremer – Wikipedia

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Christoph Cremer (geboren in Freiburg im Breisgau, Deutschland) ist ein deutscher Physiker und emeritierter[1] an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, ehem. Honorarprofessor an der Universität Mainz[2][3] und war ehemaliger Gruppenleiter am Institut für Molekularbiologie (IMB) der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Deutschland,[4] der die konventionelle Auflösungsgrenze für lichtbasierte Untersuchungen (das Abbe-Limit) mit unterschiedlichen Methoden erfolgreich überwunden hat (1971/1978 Entwicklung des Konzepts der 4Pi-Mikroskopie; 1996 Lokalisierungsmikroskopie SPDM; 1997 räumlich strukturierte Beleuchtung SIM) .[5][6] Inzwischen ist Christoph Cremer nach eigener Aussage Mitglied des Max-Planck-Instituts für Chemie (Otto-Hahn-Institut) und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung.[7][8][9]

Sein aktuelles Mikroskop Vertico-SMI ist das schnellste Nano-Lichtmikroskop der Welt, das die großmaßstäbliche Untersuchung supramolekularer Komplexe einschließlich Lebendzellbedingungen ermöglicht. Es ermöglicht die 3D-Bildgebung von biologischen Präparaten, die mit herkömmlichen Fluoreszenzfarbstoffen markiert sind, und erreicht eine Auflösung von 10 nm in 2D und 40 nm in 3D.

Dieses Nanoskop hat daher das Potenzial, einen wesentlichen Beitrag zur aktuellen Revolution in der optischen Bildgebung zu leisten, die die gesamte molekularbiologische, medizinische und pharmazeutische Forschung betreffen wird. Die Technologie ermöglicht die Entwicklung neuer Strategien zur Prävention, Risikominderung und therapeutischen Behandlung von Krankheiten.

Biografie[edit]

Nach einigen Semestern Studium der Philosophie und Geschichte an den Universitäten Freiburg und München studierte Cremer Physik in München (mit finanzieller Unterstützung der Studienstiftung des Deutschen Volkes) und promovierte in München. in Genetik und Biophysik in Freiburg. Es folgten eine Habilitation am Institut für Humangenetik der Universität Freiburg, mehrere Jahre in den USA an der University of California und seine Habilitation in allgemeiner Humangenetik und experimenteller Zytogenetik an der Universität Freiburg. Von 1983 bis zu seiner Emeritierung lehrte er als Professor (Lehrstuhl seit 2004) für “Angewandte Optik und Informationsverarbeitung” am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg. Darüber hinaus war er Mitglied des Interdisziplinären Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen Cremer war Teilnehmer an drei “Exzellenzprojekten” der Universität Heidelberg (2007–2012) sowie Partner im Biotechnologie-Cluster für zellbasierte und Molekulare Medizin, einem von fünf Clustern, die 2008 als deutsche BMBF-Exzellenzcluster ausgewählt wurden. Als zweiter Sprecher des Senats der Universität Heidelberg gewählt, engagierte sich Cremer auch in der Hochschulleitung und -politik. In seiner Funktion als Adjunct Professor an der University of Maine und als Mitglied des Jackson Laboratory (Bar Harbor, Maine), wo er in den Semesterferien jedes Jahr mehrere Wochen forscht, war er am Aufbau des Biophysikzentrums ( Institut für Molekulare Biophysik), das über eine “Global Network”-Kollaboration mit der Universität Heidelberg verbunden ist.

Cremer ist mit der Architektin und Künstlerin Letizia Mancino-Cremer verheiratet.

  • Super Resolution Mikroskopie

  • Brustkrebszellen: 3D LIMON Dual Color Super Resolution Mikroskopie von Her2 und Her3 & Clusterberechnungen

  • SPDMphmyod: Nachweis einzelner YFP-Moleküle in einer menschlichen Krebszelle

  • SPDMphymod Co-Lokalisationsmikroskopie eines Zellkerns: 120.000 GFP- und RFP-Fusionsproteine ​​lokalisiert in einer Weitfeldansicht (470 µm2)

  • Markierungsfreie Lokalisierungsmikroskopie SPDM – Super Resolution Microscopy zeigt frühere nicht nachweisbare intrazelluläre Strukturen

  • SMI Untersuchung von menschlichem Augengewebe, betroffen von Makuladegeneration AMD

  • Virus Super Resolution Mikroskopie SPDM Cremer/Wege labs

  • fBALM Superauflösende Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie unter Verwendung der DNA-Strukturfluktuations-unterstützten Bindungs-aktivierten Lokalisationsmikroskopie

Grundlegende Entwicklungen[edit]

Entwicklung des Konzepts der 4Pi-Mikroskopie[edit]

Cremer war schon früh an der Weiterentwicklung laserbasierter Lichtmikroskopieansätze beteiligt. Erste Ideen entstanden in seiner Doktorandenzeit in den 1970er Jahren. Gemeinsam mit seinem Bruder Thomas Cremer, heute Professor (Lehrstuhl) für Anthropologie und Humangenetik an der Ludwig-Maximilians-Universität München, schlug Christoph Cremer die Entwicklung eines hologrammbasierten Laser Scanning 4Pi Mikroskops vor. Die Grundidee war, Laserlicht von allen Seiten (Raumwinkel 4Pi) auf einen Spot mit einem kleineren Durchmesser als der herkömmliche Laserfokus zu fokussieren und das Objekt mit diesem Spot abzutasten. Auf diese Weise soll eine verbesserte optische Auflösung jenseits der üblichen Grenze von ca. 200 nm seitlich, 600 nm axial.[10][11] Die Veröffentlichung von 1978 [12] hatte eine falsche physikalische Schlussfolgerung gezogen (dh einen punktförmigen Lichtfleck) und hatte die axiale Auflösungserhöhung als eigentlichen Vorteil des Hinzufügens der anderen Seite des Raumwinkels vollständig verpasst.[13] Seit 1992 hat sich die 4Pi-Mikroskopie von Stefan Hell (Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen) zu einem hocheffizienten, hochauflösenden Abbildungsverfahren entwickelt, bei dem zwei sich gegenüberliegende Mikroskopobjektive hoher numerischer Apertur verwendet werden.[14][15]

Entwicklung der ersten DNA-Laser-UV-Mikrobestrahlungstechnik für lebende Zellen[edit]

Anfang der 1970er Jahre realisierten die Brüder ein UV-Laser-Mikrobestrahlungsgerät, das es erstmals ermöglichte, nur einen winzigen Teil einer lebenden Zelle im Absorptionsmaximum für DNA (257 nm) kontrolliert zu bestrahlen.[16] Diese ersetzte die seit über 60 Jahren praktizierte konventionelle UV-Teilbestrahlung. Auf diese Weise war es erstmals möglich, gezielt (dh an vorbestimmten Stellen im Zellkern lebender Zellen) Veränderungen in der DNA herbeizuführen, ohne die Teilungs- und Überlebensfähigkeit der Zellen zu beeinträchtigen. Es konnten gezielt sehr kleine Zellbereiche bestrahlt und damit die Dynamik dort enthaltener Makromoleküle (DNA) quantitativ abgeschätzt werden. Durch die hohe Geschwindigkeit des Verfahrens mit Bestrahlungszeiten von Bruchteilen einer Sekunde wurde es zudem möglich, auch sich bewegende Zellorganellen zu bestrahlen. Diese Entwicklung bildete die Grundlage für wichtige Experimente im Bereich der Genomstrukturforschung (Nachweis der Existenz sogenannter Chromosomenterritorien in lebenden Säugerzellen) und führte wenige Jahre später (1979/1980) zu einer erfolgreichen Zusammenarbeit mit der Biologin Christiane Nüsslein-Volhard (Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen). In dieser Zusammenarbeit nutzte Cremer sein UV-Laser-Mikrobestrahlungsgerät, um zelluläre Veränderungen in den frühen Larvenstadien der Fruchtfliege hervorzurufen Drosophila melanogaster.[17][18]

Entwicklung der konfokalen Laser Scanning Mikroskopie für Fluoreszenz[edit]

Basierend auf den Erfahrungen in Konstruktion und Anwendung des UV-Laser-Mikrobestrahlungsgerätes entwickelten die Brüder Cremer 1978 ein Laserscanning-Verfahren, das mit einem fokussierten Laser punktweise die dreidimensionale Oberfläche eines Objekts abtastet Strahl und erzeugt das Gesamtbild auf elektronischem Wege, ähnlich wie bei Rasterelektronenmikroskopen.[10] Dieser Plan zum Bau eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops (CSLM), das erstmals das Laserscanning-Verfahren mit der 3D-Detektion von mit Fluoreszenzmarkern markierten biologischen Objekten kombinierte, brachte Cremer seine Professur an der Universität Heidelberg ein. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts wurde die konfokale Fluoreszenzmikroskopie insbesondere von Gruppen der Universität Amsterdam und des European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg und ihren Industriepartnern zu einem technisch ausgereiften Zustand weiterentwickelt. In späteren Jahren fand diese Technologie breite Anwendung in biomolekularen und biomedizinischen Labors und ist bis heute der Goldstandard, wenn es um dreidimensionale Lichtmikroskopie mit konventioneller Auflösung geht.

Entwicklung der superauflösenden Mikroskopiemethoden[edit]

Ziel der Mikroskopie ist es in vielen Fällen, die Größe einzelner kleiner Objekte zu bestimmen. Konventionelle Fluoreszenzmikroskopie kann nur Größen um die konventionelle optische Auflösungsgrenze von ca. 200 nm (lateral) bestimmen. Mehr als 20 Jahre nach Einreichung der 4 pi-Patentanmeldung[10][19] Christoph Cremer kehrte auf das Problem der Beugungsgrenze zurück. Mit dem Vertico SMI Mikroskop konnte er seine verschiedenen superauflösenden Techniken wie SMI, SPDM, SPDMphymod und LIMON realisieren. Diese Methoden werden hauptsächlich für biomedizinische Anwendungen verwendet [20]

Räumlich modulierte Beleuchtung SMI[edit]

Um 1995 begann er mit der Entwicklung eines lichtmikroskopischen Verfahrens, das eine wesentlich verbesserte Größenauflösung von mit einem Fluoreszenzmarker angefärbten zellulären Nanostrukturen erreichte. Diesmal wandte er das Prinzip der Weitfeldmikroskopie in Kombination mit strukturierter Laserbeleuchtung (Spatial modulated Illumination, SMI) an.[21][22][23] Derzeit wird eine Größenauflösung von 30 – 40 nm (ca. 1/16 – 1/13 der verwendeten Wellenlänge) erreicht. Zudem unterliegt diese Technologie nicht mehr den Geschwindigkeitsbegrenzungen der Fokussierungsmikroskopie, so dass innerhalb kurzer Beobachtungszeiten (derzeit wenige Sekunden) 3D-Analysen ganzer Zellen möglich werden. Begriffsklärung SMI: S = räumlich, M = moduliert I = Beleuchtung.[24]

Lokalisierungsmikroskopie SPDM[edit]

Ebenfalls um 1995 entwickelte und realisierte Cremer neue fluoreszenzbasierte Weitfeldmikroskopie-Ansätze, deren Ziel die Verbesserung der effektiven optischen Auflösung (bezogen auf den kleinsten detektierbaren Abstand zwischen zwei lokalisierten Objekten) auf einen Bruchteil der herkömmlichen Auflösung (spektral) Präzisions-Distanz-/Positionsbestimmungsmikroskopie, SPDM, Disambiguation SPDM: S = Spectral, P = Precision, D = Distance, M = Microscopy).[25][26][27]

Lokalisierungsmikroskopie SPDMphymod[edit]

Mit dieser Methode ist es möglich, konventionelle, etablierte und kostengünstige Fluoreszenzfarbstoffe zu verwenden, Standard wie GFP, RFP, YFP, Alexa 488, Alexa 568, Alexa 647, Cy2, Cy3, Atto 488 und Fluorescein.
[28][29] im Gegensatz zu anderen Lokalisationsmikroskopie-Technologien, die zwei Laserwellenlängen benötigen, wenn spezielle photoschaltbare/photoaktivierbare Fluoreszenzmoleküle verwendet werden. Ein weiteres Beispiel für den Einsatz von SPDMphymod ist eine Analyse von Tabakmosaikvirus (TMV)-Partikeln.[30][31] oder Virus-Zell-Interaktion.[32][33]

Begriffsklärung SPDMphymod: S = Spektral, P = Präzision D = Distanz, M = Mikroskopie, phy = physikalisch, mod = modifizierbar

3D Light Microscopical Nanosizing (LIMON) Mikroskopie[edit]

Kombination von SPDM und SMI, bekannt als LIMON-Mikroskopie.[29] Christoph Cremer kann derzeit eine Auflösung von ca. 10 nm in 2D und 40 nm in 3D in Weitfeldaufnahmen ganzer lebender Zellen.[34] Weitfeld-3D-Nanobilder ganzer lebender Zellen dauern derzeit noch etwa zwei Minuten, aber an einer weiteren Reduzierung wird derzeit gearbeitet. Vertico-SMI ist das derzeit schnellste optische 3D-Nanoskop für die dreidimensionale Strukturanalyse ganzer Zellen weltweit
[23] Als biologische Anwendung im 3D-Dual-Color-Modus wurde die räumliche Anordnung von Her2/neu- und Her3-Clustern erreicht. Die Positionen der Proteincluster in allen drei Richtungen konnten mit einer Genauigkeit von ca. 25 nm bestimmt werden.[35]

Verweise[edit]

  1. ^ “Fakultät für Physik und Astronomie”.
  2. ^ [1] Honorarprofessur für Christoph Cremer vom IMB
  3. ^ Lehrbeauftragte an der Fakultät für Physik der Johann Gutenberg-Universität Mainz https://www.iph.uni-mainz.de/lehrende/
  4. ^ Optik IMB Mainz, Das Cremer Lab https://www.optik.imb-mainz.de/
  5. ^ http://www.kip.uni-heidelberg.de/AG_Cremer/de
  6. ^ https://www.imb.de/research-at-imb/cremer/research/
  7. ^ Dr. Christoph Cremer | Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Deutschland | STEM | COP April 2021 https://www.youtube.com/watch?v=L0EMIQzyIAE
  8. ^ ORCHID Connecting Research & Researches, Christoph Cremer Biografie https://orcid.org/0000-0002-2090-6905
  9. ^ Veranstaltungen der Royal Microscopy Society 2021 https://www.rms.org.uk/rms-event-calendar/2021-events/imaging-oneworld-spatially-modulated-illumination.html
  10. ^ ein B C C. Cremer und T. Cremer (1978): Überlegungen zu einem Laser-Scanning-Mikroskop mit hoher Auflösung und Tiefenschärfe Microscopica Acta VOL. 81 NUMMER 1. September, S. 31—44 (1978)
  11. ^ Cremer, T.; Cremer, C. (2006). “Aufstieg, Fall und Auferstehung von Chromosomen-Territorien: eine historische Perspektive Teil II. Fall und Auferstehung von CTs während der 1950er bis 1980er Jahre. Teil III. Chromosomenterritorien und die funktionelle Kernarchitektur: Experimente und Modelle von den 1990er Jahren bis heute. In” . Europäische Zeitschrift für Histochemie. 50: 223–272.
  12. ^ C. Cremer und T. Cremer (1978): Überlegungen zu einem Laser-Scanning-Mikroskop mit hoher Auflösung und Tiefenschärfe Microscopica Acta VOL. 81 NUMMER 1. September, S. 31—44 (1978)
  13. ^ Der Nobelpreis für Chemie 2014 https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2014/hell/biographical/
  14. ^ Hölle, S.; Lindek, S.; Cremer, C.; Stelzer, EHK (1994). “Messung der 4pi-konfokalen Punktspreizfunktion beweist 75 nm axiale Auflösung”. Angewandte Physik Briefe. 64 (11): 1335–1337. Bibcode:1994ApPhL..64.1335H. mach:10.1063/1.111926.
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  19. ^ Cremer C, Cremer T (1971)
    4π{displaystyle 4pi}

    Punkthologramme: Physikalische Grundlagen und mögliche Anwendungen. Anlage zur Patentanmeldung DE 2116521 “Verfahren zur Darstellung bzw. Modifikation von Objekt-Details, deren Abmessungen außerhalb der sichtbaren Wellenlängen liegen” (Verfahren zur Abbildung und Modifikation von Objektdetails mit Dimensionen jenseits der sichtbaren Wellenlängen). Eingereicht am 5. April 1971; Erscheinungsdatum 12. Oktober 1972. Deutsches Patentamt, Berlin. http://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?action=pdf&docid=DE000002116521A
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Externe Links[edit]