Nichtlineare Mikroskopie und Bilddatenverarbeitung zur biochemischen Analyse synchronisierter Chlamydomonas-Zellen
Garz, Andreas - Universität Potsdam (2013)
Unter geeigneten Wachstumsbedingungen weisen Algenkulturen oft eine größere Produktivität der Zellen auf, als sie bei höheren Pflanzen zu beobachten ist. Chlamydomonas reinhardtii-Zellen sind vergleichsweise klein. So beträgt das Zellvolumen während des vegetativen Zellzyklus etwa 50-3500 µm³. Im Vergleich zu höheren Pflanzen ist in einer Algensuspension die Konzentration der Biomasse allerdings gering. So enthält beispielsweise 1 ml einer üblichen Konzentration zwischen 10E6 und 10E7 Algenzellen. Quantifizierungen von Metaboliten oder Makromolekülen, die zur Modellierung von zellulären Prozessen genutzt werden, werden meist im Zellensemble vorgenommen. Tatsächlich unterliegt jedoch jede Algenzelle einer individuellen Entwicklung, die die Identifizierung charakteristischer allgemeingültiger Systemparameter erschwert.
Ziel dieser Arbeit war es, biochemisch relevante Messgrößen in-vivo und in-vitro mit Hilfe optischer Verfahren zu identifizieren und zu quantifizieren. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein Puls-Amplituden-Modulation(PAM)-Fluorimetriemessplatz zur Messung der durch äußere Einflüsse bedingten veränderlichen Chlorophyllfluoreszenz an einzelnen Zellen vorgestellt.
Die Verwendung eines kommerziellen Mikroskops, die Implementierung empfindlicher Nachweiselektronik und einer geeignete Immobilisierungsmethode ermöglichten es, ein Signal-zu-Rauschverhältnis zu erreichen, mit dem Fluoreszenzsignale einzelner lebender Chlamydomonas-Zellen gemessen werden konnten. Insbesondere wurden das Zellvolumen und der als Maß für die Effizienz des Photosyntheseapparats bzw. die Zellfitness geltende Chlorophyllfluoreszenzparameter Fv/Fm ermittelt und ein hohes Maß an Heterogenität dieser zellulären Parameter in verschiedenen Entwicklungsstadien der synchronisierten Chlamydomonas-Zellen festgestellt.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden die bildgebende Laser-Scanning-Mikroskopie und anschließende Bilddatenanalyse zur quantitativen Erfassung der wachstumsabhängigen zellulären Parameter angewandt. Ein kommerzielles konfokales Mikroskop wurde um die Möglichkeit der nichtlinearen Mikroskopie erweitert. Diese hat den Vorteil einer lokalisierten Anregung, damit verbunden einer höheren Ortsauflösung und insgesamt geringeren Probenbelastung. Weiterhin besteht neben der Signalgewinnung durch Fluoreszenzanregung die Möglichkeit der Erzeugung der Zweiten Harmonischen (SHG) an biophotonischen Strukturen, wie der zellulären Stärke.
Anhand der Verteilungsfunktionen war es möglich mit Hilfe von modelltheoretischen Ansätzen zelluläre Parameter zu ermitteln, die messtechnisch nicht unmittelbar zugänglich sind. Die morphologischen Informationen der Bilddaten ermöglichten die Bestimmung der Zellvolumina und die Volumina subzellularer Strukturen, wie Nuclei, extranucleäre DNA oder Stärkegranula. Weiterhin konnte die Anzahl subzellulärer Strukturen innerhalb einer Zelle bzw. eines Zellverbunds ermittelt werden. Die Analyse der in den Bilddaten enthaltenen Signalintensitäten war Grundlage einer relativen Konzentrationsbestimmung von zellulären Komponenten, wie DNA bzw. Stärke. Mit dem hier vorgestellten Verfahren der nichtlinearen Mikroskopie und nachfolgender Bilddatenanalyse konnte erstmalig die Verteilung des zellulären Stärkegehalts in einer Chlamydomonas-Population während des Wachstums bzw. nach induziertem Stärkeabbau verfolgt werden. Im weiteren Verlauf wurde diese Methode auch auf Gefrierschnitte höherer Pflanzen, wie Arabidopsis thaliana, angewendet.
Im Ergebnis wurde gezeigt, dass viele zelluläre Parameter, wie das Volumen, der zelluläre DNA- und Stärkegehalt bzw. die Anzahl der Stärkegranula durch eine Lognormalverteilung, mit wachstumsabhängiger Parametrisierung, beschrieben werden. Zelluläre Parameter, wie Stoffkonzentration und zelluläres Volumen, zeigen keine signifikanten Korrelationen zueinander, woraus geschlussfolgert werden muss, dass es ein hohes Maß an Heterogenität der zellulären Parameter innerhalb der synchronisierten Chlamydomonas-Populationen gibt. Diese Aussage gilt sowohl für die als homogenste Form geltenden Synchronkulturen von Chlamydomonas reinhardtii als auch für die gemessenen zellulären Parameter im intakten Zellverbund höherer Pflanzen. Dieses Ergebnis ist insbesondere für modelltheoretische Betrachtungen von Relevanz, die sich auf empirische Daten bzw. zelluläre Parameter stützen welche im Zellensemble gemessen wurden und somit nicht notwendigerweise den zellulären Status einer einzelnen Zelle repräsentieren.