Christoph Cremer - Christoph Cremer

Christoph Cremer (nacido en Freiburg im Breisgau, Alemania ) es un físico alemán y emérito de la Universidad Ruprecht-Karls-Heidelberg , ex profesor honorario de la Universidad de Mainz y ex líder de grupo en el Instituto de Biología Molecular (IMB) Universidad Johannes Gutenberg de Mainz , Alemania , que ha superado con éxito el límite de resolución convencional que se aplica a las investigaciones basadas en la luz (el límite de Abbe ) mediante una variedad de métodos diferentes (1971/1978 desarrollo del concepto de microscopía 4P; microscopía de localización 1996 SPDM; SIM de iluminación espacialmente estructurada de 1997). Mientras tanto, según su propia declaración, Christoph Cremer es miembro del Instituto Max Planck de Química (Instituto Otto Hahn) y del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros .

Su verdadero microscopio Vertico-SMI es el nano microscopio de luz más rápido del mundo que permite la investigación a gran escala de complejos supramoleculares, incluidas las condiciones de las células vivas. Permite la obtención de imágenes en 3D de preparaciones biológicas marcadas con tintes fluorescentes convencionales y alcanza una resolución de 10 nm en 2D y 40 nm en 3D.

Por lo tanto, este nanoscopio tiene el potencial de contribuir sustancialmente a la revolución actual en imágenes ópticas que afectará a toda la biología molecular, investigación médica y farmacéutica. La tecnología permite el desarrollo de nuevas estrategias de prevención, disminución de riesgo y tratamiento terapéutico de enfermedades.

Biografía

Después de unos semestres estudiando filosofía e historia en la Universidad de Friburgo y la Universidad de Munich , Cremer estudió física en Munich (con el apoyo financiero de la Studienstiftung des Deutschen Volkes ) y completó su Ph.D. en genética y biofísica en Friburgo. A esto le siguieron estudios posdoctorales en el Instituto de Genética Humana de la Universidad de Freiburg, varios años en los Estados Unidos en la Universidad de California , y su " Habilitación " en genética humana general y citogenética experimental en la Universidad de Freiburg. Desde 1983 hasta su jubilación, fue profesor (presidente desde 2004) de "óptica aplicada y procesamiento de información" en el Instituto Kirchhoff de Física de la Universidad de Heidelberg. Además, fue miembro del Centro Interdisciplinario de Computación Científica Cremer fue participante en tres "Proyectos de Excelencia" de la Universidad de Heidelberg (2007-2012), y también fue socio en el Clúster de Biotecnología para células y medicina molecular, uno de los cinco grupos seleccionados en 2008 como grupos de excelencia alemanes del BMBF . Elegido segundo portavoz del Senado de la Universidad de Heidelberg, Cremer también participó en la gobernanza y la política universitarias. En su función como profesor adjunto en la Universidad de Maine y como miembro del Laboratorio Jackson ( Bar Harbor, Maine ), donde realiza investigaciones durante varias semanas cada año durante los descansos semestrales, participó en el establecimiento del centro de biofísica ( Institute for Molecular Biphysics), que está vinculado con la Universidad de Heidelberg a través de una colaboración de "Red Global".

Cremer está casado con la arquitecta y artista Letizia Mancino-Cremer.

  • Microscopía de súper resolución

  • Células de cáncer de mama: microscopía de superresolución de doble color 3D LIMON de Her2 y Her3 y cálculos de grupos

  • SPDMphmyod: detección de una sola molécula de YFP en una célula cancerosa humana

  • SPDMphymod Microscopía de co-localización de un núcleo: 120.000 proteínas de fusión GFP y RFP localizadas en una vista de campo amplio (470 µm2)

  • Microscopía de localización sin etiquetas SPDM: microscopía de súper resolución que revela estructuras intracelulares no detectables previas

  • SMI Investigación del tejido del ojo humano, afectado por la degeneración macular AMD

  • Microscopía de súper resolución de virus SPDM Cremer / Wege labs

  • fBALM Microscopía de localización de una sola molécula de superresolución utilizando microscopía de localización activada por unión asistida por fluctuación de la estructura del ADN

Desarrollos fundamentales

Desarrollando el concepto de microscopía 4Pi

Cremer participó temprano en el desarrollo posterior de enfoques de microscopía de luz basados ​​en láser . Las primeras ideas tuvieron su origen en sus años de estudiante de posgrado en la década de 1970. Conjuntamente con su hermano Thomas Cremer , ahora profesor (silla) de Antropología y Genética Humana de la Universidad-Ludwig Maximiliano en Munich, Christoph Cremer propuso el desarrollo de un holograma de láser basado en el escaneo de 4pi microscopio . La idea básica era enfocar la luz láser desde todos los lados (ángulo espacial 4Pi) en un punto con un diámetro menor que el foco láser convencional y escanear el objeto por medio de este punto. De esta manera, debería ser posible lograr una resolución óptica mejorada más allá del límite convencional de aprox. 200 nm lateral, 600 nm axial. Sin embargo, la publicación de 1978 había sacado una conclusión física inadecuada (es decir, un punto de luz similar a un punto) y había pasado por alto por completo el aumento de la resolución axial como el beneficio real de agregar el otro lado del ángulo sólido. Desde 1992, la microscopía 4Pi desarrollada por Stefan Hell (Instituto Max-Planck de Química Biofísica, Göttingen) en un proceso de obtención de imágenes de alta resolución y alta eficiencia, utilizando dos lentes de objetivo de microscopio de alta apertura numérica opuestas entre sí.

Desarrollo de la primera técnica de microirradiación UV-láser de ADN para células vivas

A principios de la década de 1970, los hermanos crearon un instrumento de micro irradiación con láser UV que por primera vez permitía irradiar de manera controlada solo una pequeña parte de una célula viva al máximo de absorción de ADN (257 nm). Esto reemplazó la irradiación parcial UV convencional practicada durante más de 60 años. De esta manera, fue posible por primera vez inducir alteraciones en el ADN de una manera focalizada (es decir, en lugares predeterminados en el núcleo celular de las células vivas) sin comprometer la capacidad de las células para dividirse y sobrevivir. Podrían irradiarse regiones específicas de células muy pequeñas y, por tanto, la dinámica de las macromoléculas (ADN) contenidas allí se estimó cuantitativamente. Además, debido a la alta velocidad del proceso que utiliza tiempos de irradiación de fracciones de segundo, fue posible irradiar incluso orgánulos celulares en movimiento . Este desarrollo proporcionó la base para importantes experimentos en el área de investigación de la estructura del genoma (estableciendo la existencia de los llamados territorios cromosómicos en células de mamíferos vivos ) y condujo, unos años más tarde (1979/1980) a una exitosa colaboración con la bióloga Christiane. Nüsslein-Volhard ( Instituto Max Planck de Biología del Desarrollo , Tübingen ). En esta colaboración, Cremer utilizó su equipo de micro irradiación con láser UV para provocar cambios celulares en las primeras etapas larvarias de la mosca de la fruta Drosophila melanogaster .

Desarrollo de la microscopía de barrido láser confocal para fluorescencia

Sobre la base de la experiencia adquirida en la construcción y aplicación del instrumento de micro irradiación láser UV, los hermanos Cremer diseñaron en 1978 un proceso de escaneo láser que escanea punto por punto la superficie tridimensional de un objeto por medio de un láser enfocado. haz y crea la imagen general por medios electrónicos similares a los que se utilizan en los microscopios electrónicos de barrido. Es este plan para la construcción de un microscopio de escaneo láser confocal (CSLM), que combinó por primera vez el método de escaneo láser con la detección 3D de objetos biológicos etiquetados con marcadores fluorescentes, lo que le valió a Cremer su puesto de profesor en la Universidad de Heidelberg. Durante la siguiente década, la microscopía de fluorescencia confocal se desarrolló en un estado técnicamente completamente maduro, en particular por grupos que trabajaban en la Universidad de Amsterdam y el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) en Heidelberg y sus socios industriales. En años posteriores, esta tecnología fue ampliamente adoptada por laboratorios biomoleculares y biomédicos y sigue siendo hasta el día de hoy el estándar de oro en lo que respecta a la microscopía de luz tridimensional con resolución convencional.

Desarrollo de los métodos de microscopía de superresolución

En muchos casos, el objetivo de la microscopía es determinar el tamaño de objetos pequeños individuales. La microscopía de fluorescencia convencional solo puede establecer tamaños alrededor del límite de resolución óptica convencional de aproximadamente 200 nm (lateral). Más de 20 años después de presentar la solicitud de patente 4 pi, Christoph Cremer volvió al problema del límite de difracción. Con el microscopio Vertico SMI pudo realizar sus diversas técnicas de superresolución, incluidas SMI, SPDM, SPDMphymod y LIMON. Estos métodos se utilizan principalmente para aplicaciones biomédicas.

SMI de iluminación modulada espacialmente

Alrededor de 1995, comenzó con el desarrollo de un proceso microscópico de luz, que logró una resolución de tamaño sustancialmente mejorada de nanoestructuras celulares teñidas con un marcador fluorescente. Esta vez empleó el principio de microscopía de campo amplio combinado con iluminación láser estructurada (iluminación modulada espacialmente, SMI). Actualmente, se está logrando una resolución de tamaño de 30 - 40 nm (aproximadamente 1/16 - 1/13 de la longitud de onda utilizada). Además, esta tecnología ya no está sujeta a las limitaciones de velocidad de la microscopía de enfoque, por lo que es posible realizar análisis 3D de células completas en breves tiempos de observación (en este momento, unos pocos segundos). Desambiguación SMI: S = espacialmente, M = Modulado I = Iluminación.

Microscopía de localización SPDM

También alrededor de 1995, Cremer desarrolló y realizó nuevos enfoques de microscopía de campo amplio basados ​​en fluorescencia que tenían como objetivo la mejora de la resolución óptica efectiva (en términos de la distancia detectable más pequeña entre dos objetos localizados) hasta una fracción de la resolución convencional (espectral microscopía de determinación de distancia / posición de precisión, SPDM; SPDM de desambiguación: S = espectral, P = precisión, D = distancia, M = microscopía).

Microscopía de localización SPDMphymod

Con este método, es posible utilizar tintes fluorescentes convencionales, bien establecidos y económicos, estándar como GFP, RFP, YFP, Alexa 488, Alexa 568, Alexa 647, Cy2, Cy3, Atto 488 y fluoresceína. a diferencia de otras tecnologías de microscopía de localización que necesitan dos longitudes de onda de láser cuando se utilizan moléculas de fluorescencia especiales fotoconmutables / fotoactivables. Otro ejemplo del uso de SPDMphymod es un análisis de partículas del virus del mosaico del tabaco (TMV). o interacción virus-célula.

Desambiguación SPDMphymod: S = espectral, P = precisión D = distancia, M = microscopía, phy = físicamente, mod = modificable

Microscopía de nanoescala microscópica de luz 3D (LIMON)

Combinando SPDM y SMI, conocido como microscopía LIMON. Christoph Cremer puede alcanzar actualmente una resolución de aprox. 10 nm en 2D y 40 nm en 3D en imágenes de campo amplio de células vivas completas. Las "nanoimágenes" 3D de campo amplio de células vivas completas todavía toman alrededor de dos minutos, pero se está trabajando para reducir esto aún más. Vertico-SMI es actualmente el nanoscopio óptico 3D más rápido para el análisis estructural tridimensional de células completas en todo el mundo. Como aplicación biológica en el modo de color dual 3D, se logró la disposición espacial de los clústeres Her2 / neu y Her3. Las posiciones en las tres direcciones de los grupos de proteínas se pudieron determinar con una precisión de aproximadamente 25 nm.

Referencias

enlaces externos