Förr, många upptäckter har gjorts eftersom bättre, mer exakta mätmetoder har blivit tillgängliga, gör det möjligt att få data från tidigare outforskade fenomen. Till exempel, Högupplöst mikroskopi har börjat dramatiskt förändra våra perspektiv på cellfunktion och dynamik. Forskare vid ImmunoSensation2 Cluster of Excellence vid universitetet i Bonn, Universitetssjukhuset och forskningscentret Caesar har nu utvecklat en metod som gör det möjligt att använda multifokala bilder för att rekonstruera rörelsen av snabba biologiska processer i 3D. Studien har nyligen publicerats i tidskriften Naturkommunikation .

Många biologiska processer sker på en nano-till millimeterskala och inom millisekunder. Etablerade metoder som konfokalmikroskopi är lämpliga för exakta 3D-inspelningar men saknar den tidsmässiga eller rumsliga upplösningen för att lösa snabba 3D-processer och kräver märkta prover. För många undersökningar inom biologi, Bildinsamling med höga bildhastigheter är avgörande för att registrera och förstå principerna som styr cellulära funktioner eller snabba djurbeteenden. Utmaningen som forskarna står inför kan jämföras med att följa en spännande tennismatch:Ibland är det inte möjligt att följa den snabbrörliga bollen med precision, eller så upptäcks inte bollen innan den redan är utanför spelfältet.

Med tidigare metoder, forskarna kunde inte spåra bilden eftersom bilden var suddig eller att föremålet av intresse helt enkelt inte längre fanns i synfältet efter att bilden togs. Standard multifokala avbildningsmetoder tillåter höghastighets 3D-avbildning men begränsas av kompromissen mellan hög upplösning och stort synfält, och de kräver ofta ljusa fluorescerande etiketter.

För första gången, den här beskrivna metoden möjliggör användning av multifokal avbildning med både ett stort synfält och en hög spatio-temporal upplösning. I den här studien, forskarna spårar rörelsen av icke-märkta sfäriska och trådformiga strukturer snabbt och exakt.

Som mycket slående beskrivs i studien, den nya metoden ger nu ny insikt i dynamiken i flagellär slag och dess koppling till spermiers simbeteende. Denna koppling har varit möjlig eftersom forskarna exakt kunde registrera flagellarten hos fritt simmande spermier i 3D under en lång tidsperiod och samtidigt följa spermiebanorna hos enskilda spermier. Dessutom, forskarna fastställde 3D-vätskeflödet runt de bankande spermierna. Sådana fynd öppnar inte bara dörren för att förstå orsakerna till infertilitet, men kan också användas i så kallad "bionics, "dvs. överföring av principer som finns i naturen till tekniska tillämpningar.

Forskare vid ImmunoSensation2 Cluster of Excellence kan redan använda den nya metoden – och inte bara för att observera spermier. Denna metod kan också användas för att bestämma 3D-flödeskartorna som är resultatet av slag av rörliga cilier. Rörliga flimmerhårar slår på ett liknande sätt som spermiernas svans och transportvätska. Cilia-drivet flöde spelar en viktig roll i hjärnans ventrikel eller i luftvägarna där det tjänar till att transportera slem ut ur lungorna och in i halsen - det är också så patogener transporteras ut och avvärjas.

Det multifokala avbildningskonceptet som rapporteras i denna studie är kostnadseffektivt, kan enkelt implementeras, och förlitar sig inte på objektmärkning. Forskarna hävdar att deras nya metod kan hitta vägen till andra områden också, och de ser många andra potentiella tillämpningar.