CAD-Modell des Nanoskops
Konstruiert hat das Do-it-yourself-Nanoskop ein internationales Team um Rainer Heintzmann von der Uni Jena mit Erstautor Benedict Diederich. Letzterer ließ bereits 2018 mit einem Smartphone-Mikroskop aufhorchen (siehe hierzu auch das Interview mit Diederich auf Laborjournal Online).
Das Jenaer dSTORMII-Nanoskop basiert auf dem Prinzip der (direct) Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (dSTORM). Bei dieser Variante der sogenannten Einzelmolekül-Lokalisations-Mikroskopie (SMLM), zu der auch die von Nobelpreis-Gewinner Eric Betzig entwickelte Photoactivated Localization Microscopy (PALM) zählt, werden zufällig verteilte Fluorophore an- und ausgeschaltet, um ein hochaufgelöstes Bild zu rekonstruieren.
Smarte Einheit
Herzstück von dSTORMII ist eine äußerst smart aufgebaute optische Einheit: Das Anregungslicht einer Laser-Diode wird zunächst mithilfe einer sogenannten Optical Pickup Unit aus einem Blu-Ray-Player gebündelt und auf einen Photochip mit integriertem Wellenleiter geworfen, auf dem sich die Probe befindet. Ein Objektiv sammelt die von der Probe ausgehenden Fluoreszenz-Signale und leitet sie in das optische System eines handelsüblichen Smartphones, das mit einer CMOS-Kamera beziehungsweise einem CMOS-Sensor ausgestattet ist. Eingebaut ist das Ganze in ein mit dem 3D-Drucker hergestelltes Mikroskop-Gehäuse, inklusive Objekttisch und Motor-gesteuertem Fokus.
dSTORMII nimmt in kürzester Zeit unzählige Bilder auf, wobei die Anregungsmuster jeweils minimal variiert werden. Anders als bei einem Profi-Fotografen, der sich am Ende das beste Bild eines Fotoshootings aussucht, entsteht das perfekte Bild mit einer Auflösung von bis zu 100 Nanometern nach der Rekonstruktion aller Einzelaufnahmen. Die Recheneinheit des Handys übernimmt hierbei die Bildverarbeitung und trennt echte Signale oder Strukturen vom Hintergrundrauschen. Diederich und Co. haben den Computer des Smartphones so gehackt, dass es autonom Bilder aufnehmen sowie verarbeiten kann und zugleich die Gerätekomponenten dirigiert.
Passt in jeden Inkubator
Das komplette dSTORMII-Nanoskop ist nicht größer als ein Würfel von circa 12 Zentimetern Kantenlänge und passt in einen Inkubator oder unter den Abzug eines Hochsicherheitslabors. Die Jenaer installierten das DIY-Nanoskop in einem S3-Labor des Jenaer Universitätsklinikums und testeten, ob es auch SARS-CoV-2 visualisieren kann. Dazu verwendeten sie zunächst Virus-ähnliche Partikel (VLP), die mit dem Spike-Protein von SARS-CoV-2 dekoriert waren. Für den immunologischen Nachweis inkubierten sie die VLPs mit AF647-markierten Antikörpern und detektierten deren Fluoreszenzsignale.
Auch Analysen mit zwei Fluoreszenzfarben sind möglich, wenn man das Gerät mit einem weiteren Laser aufrüstet. Damit können nicht nur Antigene, sondern auch Viren generell anhand ihrer Kontur visualisiert werden. Um das zu belegen, untersuchten die Forscher aktive SARS-CoV-2-Viren, deren Membran sie mit dem Farbstoff Myr-Palm-mCherry sichtbar machten. Das Spike-Protein detektierten sie mit AF647-markierten Antikörpern. In einem fünfminütigen Fotoshooting entstanden etwa 3.000 Aufnahmen, aus denen das Handy anhand zuvor eingespeister Bilddaten ein Bild des Virus rekonstruierte.
Wer das dSTORMII-Nanoskop nachbauen will, findet die vollständige Konstruktionsanleitung inklusive der Handy-Software auf Diederichs cellSTORM II-Github-Seite.
Andrea Pitzschke
Diederich B. et al. (2020): Nanoscopy on the Chea(i)p. BioRxiv, DOI: 10.1101/2020.09.04.283085
Foto: Diederich et al.