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Wie wir for­schen - Un­se­re In­stru­men­te und Me­tho­den

≈60 Wochen

So lan­ge war „Tramper“ schon al­lein auf sich ge­stellt un­ter­wegs. In meh­re­ren tau­send Me­tern Tie­fe auf dem Mee­res­grund aus­ge­setzt, be­wegt sich der Ro­bo­ter lang­sam vor­wärts und misst re­gel­mä­ßig den Sau­er­stoff­ge­halt im Mee­res­bo­den. Die Wer­te lie­fern In­for­ma­tio­nen über die Stoff­kreis­läu­fe vor Ort: Mi­kro­or­ga­nis­men zer­set­zen or­ga­ni­sches Ma­te­ri­al aus den Res­ten ab­ge­stor­be­ner Pflan­zen und Tie­re. Je mehr des or­ga­ni­schen Ma­te­ri­als aus obe­ren Was­ser­schich­ten her­ab­sinkt, des­to mehr Sau­er­stoff wird ge­zehrt. 

>1 Jahr 

Gut Ding will Wei­le ha­ben. So ist das oft auch bei For­schungs­ge­rä­ten. Zum Bei­spiel hat es vie­le Mit­ar­bei­ten­de und mehr als ein Jahr ge­braucht, bis „Lance-A-Lot“ ein­satz­be­reit war. Und im­mer noch wird die­ses Ge­rät von uns wei­ter­ent­wi­ckelt und an­ge­passt. 

20 bis 50 Mikrometer

Haar­ge­nau mes­sen: Un­se­re na­del­ähn­li­chen Mikrosensoren sind meist fei­ner als ein mensch­li­ches Haar. Mit den ex­trem dün­nen Glas­ka­pil­la­ren kön­nen wir die Be­din­gun­gen auf kleins­tem Raum und in un­mit­tel­ba­rer Um­ge­bung ei­nes ein­zel­nen Bak­te­ri­ums un­ter­su­chen. Da­mit die Sen­so­ren auch per­fekt zu un­se­ren wis­sen­schaft­li­chen Fra­gen pas­sen, bau­en wir sie meis­tens selbst.  

Tausende Kilogramm

Wie kommt ein For­schungs­ge­rät si­cher vom Schiff ins Was­ser und bis auf den Mee­res­bo­den? Zum Bei­spiel an ei­nem star­ken Ka­bel. Und das ist selbst ein Schwer­ge­wicht: Ein 1,8 Zen­ti­me­ter di­ckes Ka­bel wiegt 1,2 Ki­lo­gramm pro Me­ter. Das läp­pert sich: Um den Grund ei­nes Tief­see­gra­bens zu er­rei­chen, müs­sen wir schon mal fast 10.000 Kilo Ka­bel zu Was­ser las­sen! 

Un­se­re For­schungs­aus­stat­tung

Am Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie nut­zen wir vie­le ver­schie­de­ne Ge­rä­te - vom ein­fa­chen Ei­mer über gän­gi­ge Licht­mi­kro­sko­pe bis hin zu hoch­kom­ple­xen High-Tech-Ma­schi­nen. Ein Al­lein­stel­lungs­merk­mal des MPI in Bre­men ist die brei­te Pa­let­te an un­ter­schied­li­chen Bild­ge­bungs­ver­fah­ren. So ha­ben wir ein Nano SIMS, ver­schie­de­ne Elek­tro­nen­mi­kro­sko­pe und zahl­rei­che mo­der­ne Ver­fah­ren, um Gene und Ge­no­me zu ana­ly­sie­ren. Al­les un­ter ei­nem Dach.

Hier geht es zur Übersicht über unsere Forschungsgeräte und -methoden: Technik & Methoden

Tie­fer for­schen dank Tech­nik: Das Ende der Ozea­ne, der schma­le Küs­ten­strei­fen, un­mit­tel­bar er­leb­ba­rer Kon­takt­punkt zwi­schen Meer und Land, ist nur ei­ner der vie­len ver­schie­de­nen Le­bens­räu­me für Mi­kro­ben, die wir er­for­schen. Um die Mi­kro­welt auf dem of­fe­nen und auch tie­fen Oze­an zu er­rei­chen, brau­chen wir das größ­te Stück un­se­rer Aus­rüs­tung: Schif­fe brin­gen uns bis zum je­wei­li­gen For­schungs­ort. Auch Pro­ben und Mess­da­ten be­kom­men wir nur mit aus­ge­feil­tem Ge­rät. Und ha­ben wir dann Test­trop­fen Was­ser und Mus­ter­men­gen an Se­di­ment, gilt es, die ein­zel­nen Mi­kro­or­ga­nis­men dar­in und – noch viel dif­fi­zi­ler – de­ren in­ne­re Struk­tu­ren sicht­bar zu ma­chen.

Un­se­re Her­aus­for­de­rung ist also nicht nur die For­schung selbst, son­dern stets auch, wie sie am bes­ten ge­lin­gen kann. Neue Geräte und Technologien dafür zu entwerfen, zu bau­en und wei­ter­zu­ent­wi­ckeln, ge­hört des­halb un­trenn­bar zu un­se­rer wis­sen­schaft­li­chen Ar­beit dazu. 

Lance-A-Lot: Ganz schön vermessen 

Wie der sa­gen­haf­te Rit­ter aus Kö­nig Ar­tus’ Ta­fel­run­de hat „Lance-A-Lot“ be­son­de­re Kräf­te: Er misst gleich­zei­tig die Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit, die Form des Mee­res­bo­dens und den Sau­er­stoff­ge­halt im Sand. Bei Rip­peln etwa kön­nen Sau­er­stoff und Nähr­stof­fe tie­fer ins Se­di­ment drin­gen als bei glat­ter Ober­flä­che. Die un­ter Rippeln an­säs­si­gen Mi­kro­or­ga­nis­men sind so bes­ser ver­sorgt. Die Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit wie­der­um be­ein­flusst, was und wie viel die Bak­te­ri­en im Sand ver­at­men und was im Was­ser üb­rig bleibt.

 

Super Zoom: Einblick jenseits der Auflösung

Die meis­ten Mi­kro­ben ent­zie­hen sich dem blo­ßen Auge. Da hilft das Mi­kro­skop, da­mit kön­nen wir ein­zel­ne Zel­len se­hen. Aber wir wol­len es noch ge­nau­er wis­sen. Mit hochauflösenden Mikroskopen er­ken­nen wir so­gar die Struk­tu­ren im Zel­lin­ne­ren ei­nes Mi­kro­or­ga­nis­mus. Selbst ein­zel­ne Gene wer­den mit der rich­ti­gen Tech­nik sicht­bar! Die­se Ob­jek­te lie­gen an der Auf­lö­sungs­gren­ze – dem Ab­stand, den zwei Din­ge min­des­tens ha­ben müs­sen, um op­tisch noch ge­trennt wahr­nehm­bar zu sein. Da­für gibt es tech­ni­sche Tricks: Bei­spiels­wei­se kön­nen wir fluo­res­zie­ren­de Mo­le­kü­le in den Zel­len zum Blin­ken brin­gen. Durch an­schlie­ßen­de Be­rech­nun­gen am Com­pu­ter ent­steht ein Bild, das uns zeigt, wo ge­nau sich die ein­zel­nen Mo­le­kü­le in ei­ner Pro­be be­fin­den. So kön­nen wir Zell­struk­tu­ren etwa fünf- bis zehn­mal ge­nau­er ab­bil­den als mit her­kömm­li­cher Fluoreszenzmikroskopie al­lein.

 

FISH: Individuen identifizieren

Mi­kro­or­ga­nis­men kann man ih­rem Aus­se­hen nach kaum un­ter­schei­den. Den­noch hat jede Zel­le ih­ren ei­ge­nen Fin­ger­ab­druck, der ty­pisch für jede Art ist – das Erb­ma­te­ri­al. Ein Fall für FISH, die „Fluo­res­zenz-in-situ-Hy­bri­di­sie­rung“. Sie macht be­stimm­te Ab­schnit­te des Erb­ma­te­ri­als ein­zel­ner Zel­len sicht­bar. Un­ter dem Mi­kro­skop wer­den die­se Zel­len dann zum Leuch­ten ge­bracht. FISH-Bil­der von Mi­kro­or­ga­nis­men se­hen aus wie ein Ster­nen­him­mel, nur in ver­schie­de­nen Far­ben. Un­se­re Fra­ge ist: Was er­strahlt wo? Mit­tels FISH kön­nen wir die Or­ga­nis­men in un­se­ren Pro­ben ge­nau iden­ti­fi­zie­ren.

NanoSIMS: Punktgenau betrachtet

NanoSIMS steht für „Na­no­s­ca­le Se­con­da­ry Ion Mass Spec­tro­met­re“. Die­ses Mas­sen­spek­tro­me­ter hat eine be­son­de­re Op­tik, die eine enor­me räum­li­che Auf­lö­sung schafft: Wir kön­nen da­mit Din­ge be­ob­ach­ten, die 50 Na­no­me­ter win­zig sind – also ein Zwan­zigs­tel ei­nes Mil­li­ons­tel Me­ters. Zum Bei­spiel un­ter­su­chen wir so die Struk­tu­ren und Vor­gän­ge in ei­ner ein­zel­nen Zel­le, se­hen ihr qua­si beim Ar­bei­ten zu. Das ist na­he­zu ein­ma­lig: Welt­weit gibt es nur etwa 40 sol­cher Ge­rä­te. Un­se­res war das ers­te, das zur Be­ant­wor­tung öko­lo­gi­scher Fra­gen ein­ge­setzt wur­de.

 

Bioinformatik: Meer Wissen

Mit Hil­fe der Bioinformatik ge­win­nen wir span­nen­des De­tail­wis­sen über ein­zel­ne Mi­kro­ben, aber auch gan­ze Öko­sys­te­me. Das Erb­ma­te­ri­al von Mi­kro­ben, die DNA, birgt viel In­for­ma­ti­on über de­ren Le­bens­stil und Fä­hig­kei­ten. Um die DNA zu un­ter­su­chen, müss­ten wir die Winz­lin­ge im La­bor züch­ten und un­ter­su­chen – nur klappt das bei den meis­ten Mi­kro­or­ga­nis­men nicht. Da­her ana­ly­sie­ren wir Um­welt­pro­ben mit al­len Mi­kro­ben, die sich dar­in be­fin­den. Ein gro­ßer Misch­masch! Dank Bio­in­for­ma­tik be­hal­ten wir den Über­blick: Wir ana­ly­sie­ren bei­spiels­wei­se kur­ze Stü­cke der DNA-Strän­ge und set­zen die­se dann am Com­pu­ter zu lan­gen Se­quen­zen zu­sam­men. So las­sen sich so­gar kom­plet­te Ge­no­me ein­zel­ner Ar­ten re­kon­stru­ie­ren. 

HYperSurvey - Benjamin Mueller

HyperDiver: Riffe kartieren

Ko­ral­len­rif­fe sind wun­der­schön – und sehr emp­find­lich. Um sie zu schüt­zen, müs­sen wir sie ken­nen und ih­ren „Ge­sund­heits­zu­stand“ er­mes­sen. Aber wie geht das? Mit un­se­rem HyperDiver. Er nutzt die Far­ben der Ko­ral­len: Je nach Art und Zu­stand ist ihr Farb­spek­trum ein an­de­res. Der Hy­per­Di­ver „über­wacht“ ein brei­tes Spek­trum an Wel­len­län­gen – viel mehr, als das mensch­li­che Auge se­hen kann – und re­gis­triert so den Zu­stand des Riffs. Eine Bil­der­ken­nung und selbst­ler­nen­de Soft­ware wer­ten die Da­ten aus. Ein Tau­cher kann so bis zu 40 Qua­drat­me­ter Riff pro Mi­nu­te zen­ti­me­ter­ge­nau er­fas­sen. Ein Spin-off-Team von un­se­rem In­sti­tut hat die­se Tech­no­lo­gie nut­zer­freund­lich um­ge­wan­delt, das Er­geb­nis wird der­zeit kom­mer­zia­li­siert (hier geht es zu dem Start-up aus dem Max-Planck-In­sti­tut, PlanBlue).

 

Massenspektrometrie: Dem einzelnen Molekül auf der Spur

Beim Zu­sam­men­le­ben von Mi­kro­ben mit­ein­an­der oder mit Tie­ren dreht sich al­les um Mo­le­kü­le. Von der Er­näh­rung bis hin zur Kom­mu­ni­ka­ti­on, fast im­mer sind Pro­te­ine, Li­pi­de und ähn­li­ches im Spiel. Wir ma­chen die­se Mo­le­kü­le sicht­bar und er­lan­gen Ein­bli­cke in die Vor­gän­ge in­ner­halb von Zel­len und zwi­schen Zel­len. Un­ser MALDI-MSI kann bei­spiels­wei­se die Ver­tei­lung Tau­sen­der Mo­le­kül­ar­ten dar­stel­len – ohne, dass wir die­se vor­her an­fär­ben oder mar­kie­ren müs­sen. Die­ses Mo­le­ku­lar­mi­kro­skop nutzt dazu die Mo­le­kül­mas­se der ein­zel­nen Sub­stan­zen. Aus den Da­ten er­stel­len wir dann Bil­der, aus de­nen wir er­ken­nen, wel­cher Stoff wo und wie häu­fig vor­han­den ist. An­de­re Mas­sen­spek­tro­me­ter nut­zen Iso­to­pe, das sind un­ter­schied­li­che For­men des­sel­ben Ele­ments. Das Ver­hält­nis der Iso­to­pe von Koh­len­stoff ver­rät uns zum Bei­spiel viel über die mi­kro­bi­el­le Auf­nah­me von Koh­len­di­oxid – und da­mit auch über den welt­wei­ten Koh­len­stoff­kreis­lauf.

 

 
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