FIM zeigt Fruchtfliegen im Einkaufsfieber

Nachwuchsforscher aus Informatik und Biologie haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich das Verhalten von Drosophila-Larven präzise analysieren lässt

Prof. Xiaoyi Jiang stützt sich auf den Tracking-Tisch auf, während Dimitri Berh die Drosophila-Larven mit einem dünnen Pinsel auf die Tischplatte aus Plexiglas setzt.
© Uni MS - Peter Grewer

Er sieht aus wie ein einfacher Tageslichtprojektor: Vier Beine, darüber eine viereckige Glasplatte, ein Lichtschalter. Aber dieser „FIM“-Tisch kann viel mehr. Der Vater des mittlerweile patentierten Tisches ist Benjamin Risse, ehemaliger Doktorand bei Prof. Dr. Xiaoyi Jiang am Institut für Informatik. Auf der Suche nach einem Thema für seine Doktorarbeit stellte der Informatiker mit Nebenfach Biologie fest, dass bisherige Verfahren zur Analyse von Insekten-Bewegungen, die international angewandt wurden, nur unzureichende Bilder lieferten. In den Filmen sah man die halbdurchsichtigen Fruchtfliegen-Larven lediglich unscharf, auch Reflexionen oder Kratzer waren sichtbar. „Aller guten Programme unserer Informatiker zum Trotz war es nicht möglich, automatisch zwischen Larve und Nicht-Larve zu unterscheiden“, erläutert Nils Otto, Doktorand am Institut für Neuro- und Verhaltensbiologie. Genau das ist für die Arbeit der Biologen jedoch entscheidend. Sie manipulieren einzelne Gene und untersuchen anschließend, ob sich das Verhalten dieser Larven von denen „normaler“ Tiere unterscheidet. Da kann jede kleinste Bewegung von Bedeutung sein.

Benjamin Risse, Nils Otto und Dimitri Berh beschlossen also, den Aufbau des Tisches zu verbessern und die Algorithmen hinter dem Verfahren anzupassen. „Wir mussten zunächst eine gemeinsame Sprache zwischen Biologen und Informatikern finden“, erzählt Berh, der als Informatiker im Rahmen seiner Doktorarbeit inzwischen für die Weiterentwicklung des FIM-Tisches verantwortlich ist. Der Vorteil sei, dass man sich so gegenseitig stets neue Fragestellungen liefere und weitere Möglichkeiten eröffne. Eine nicht nur vorbildliche, sondern auch erfolgreiche interdisziplinäre Zusammenarbeit: Bis Ende 2017 wird das Projekt im Rahmen des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ gefördert.

Für den neuen Tracking-Tisch nutzen die Informatiker die Methode der frustrierten totalen internen Reflexion (Frustrated total internal reflection, FTIR). Daraus ergibt sich auch der eingängige Name des Projekts: FTIR-based Imaging Method, kurz FIM. Das Infrarot-Licht der LEDs in den Kanten des Tisches wird in der Plexiglasplatte gefangen. Krabbelt eine Drosophila-Larven darüber, unterbricht sie diese totale Reflexion. Dank eines Infrarot-Filters kann die handelsübliche Kamera unter dem Tisch die Tiere auch ohne Mikroskop gestochen scharf aufnehmen. Auf den Bildern leuchten sie als weiße kleine Würmchen vor schwarzem Hintergrund. Durch den modularen Aufbau des Tisches lässt er sich beliebig erweitern, etwa um UV-Licht einzusetzen und Kälte-, Wärme oder Lichtreize einzubauen.

Laufspuren von Fruchtfliegenlarven. Jede Farbe markiert die Spur einer Larve.

Wahre Kunstwerke entstehen, wenn die Wege der Larven am Computer mittels verschiedenfarbiger Spuren sichtbar gemacht werden. Das Analyse-Programm, das die Gruppe entwickelt hat, beschreibt automatisch den Weg und das Verhalten hunderter Tiere, also, ob die Larve nach rechts oder links gekrümmt ist, wie schnell sie ist und wie weit sie gekrochen ist.

Für Nils Otto und seine Forschung an Gliazellen ein bedeutender Fortschritt, der seine Doktorarbeit bei Prof. Dr. Christian Klämbt erst ermöglicht. Gliazellen halten die Neuronen nicht nur in Position, sondern versorgen sie auch mit Nährstoffen. Otto untersucht, ob eine Manipulation bestimmter Gene Defekte in den Gliazellen nach sich zieht. Tatsächlich konnte der Biologe mit Hilfe des neuen Verfahrens ein Gen identifizieren, das in den Mitochondrien der Gliazellen – quasi ihre Kraftwerke – für das Recycling von Stoffwechselprodukten sorgt. Ohne diese Aufbereitung können die Neuronen nicht mehr miteinander kommunizieren. „Reize werden im Gehirn nicht richtig verarbeitet, die Bewegungen verändern sich“, erklärt Otto. Eine „normale“ Larve dreht ab und an den Kopf von rechts nach links, um ihre Umgebung zu scannen. „Larven mit dem Gendefekt stoppen dagegen sehr häufig, bewegen den Kopf hektisch und wechseln oft die Richtung – wie im Sommerschlussverkauf“, so der Biologe. Der Name für das Gen war schnell gefunden: shopper.

Unterdessen ist die Weiterentwicklung des FIM-Tisches in vollem Gange. Informatiker Dimitri Berh arbeitet gerade an einem Prototypen, der es ermöglichen soll, die Larven in ihrer natürlichen Umgebung über einen längeren Zeitraum hinweg aufzunehmen und zu analysieren. Wie ein Tageslichtprojektor wird diese neue FIM-Variante dann allerdings nicht mehr aussehen.

Unter fim.uni-muenster.de gibt es weitere Informationen, eine Bauanleitung, sowie die Möglichkeit, den Tisch zu bestellen.

Dieser Artikel erschien in der Universitätszeitung "wissen|leben" Nr. 2, 20. April 2016. Autorin ist Bernadette Winter.