Cremer C

Christoph Cremer aus Freiburg im Breisgau ist ein deutscher Physiker und Professor an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, der die konventionelle lichtoptische Auflösungsgrenze („Abbe-Limit“) durch unterschiedliche Methoden überwunden hat (1971/1978 Konzeption der 4Pi-Mikroskopie und 1996 Lokalisationsmikroskopie SPDM; 1997 räumlich strukturierte Beleuchtung SMI).

Leben

Nach einigen Semestern Philosophie und Geschichte an den Universitäten Freiburg und München studierte Christoph Cremer Physik (unterstützt von der Studienstiftung des Deutschen Volkes) in München und promovierte in Genetik/Biophysik in Freiburg. Es folgten eine Postdoc-Zeit am Institut für Humangenetik der Universität Freiburg, ein mehrjähriger USA-Aufenthalt an der University of California und die Habilitation (Dr. med. habil. für Allgemeine Humangenetik und Experimentelle Cytogenetik, Medizinische Fakultät Universität Freiburg). Seit 1983 lehrt er als Professor (2004 Ordinarius) für Angewandte Optik und Informationsverarbeitung an der Universität Heidelberg, am Kirchhoff-Institut für Physik. Darüber hinaus ist er wissenschaftliches Mitglied des Interdisziplinären Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen (IWR), des Instituts für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie (IPMB), sowie des Bioquant-Zentrums der Universität. Christoph Cremer ist an drei laufenden Exzellenzprojekten (2007-2012) der Universität Heidelberg beteiligt sowie Partner im Biotechnologie-Cluster zur zellbasierten und molekularen Medizin, einem der fünf 2008 bewilligten deutschen BMBF Spitzen-Cluster. Als gewählter zweiter Sprecher des Senats (seit 2006) engagiert sich Cremer an der Universität Heidelberg auch hochschulpolitisch. In seiner Funktion als ‚Adjunct’-Professor an der US-University of Maine und als wissenschaftliches Mitglied des renommierten Jackson Laboratory (Bar Harbor/Maine, USA), wo er während der Semesterferien mehrere Wochen im Jahr forscht, ist er am dortigen Aufbau eines biophysikalischen Zentrums (Institute for Molecular Biophysics, IMB) beteiligt, das mit der Universität Heidelberg in einem ‚Global Network’-Vorhaben verbunden ist. Er ist verheiratet mit der Architektin und Künstlerin Dr. Letizia Mancino-Cremer, seit 1992 Vorsitzende der Goethe-Gesellschaft Heidelberg.

Grundlegende Entwicklungen

Konzeption der 4Pi-Mikroskopie

Cremer war schon früh an der Weiterententwicklung der laserbasierten Lichtmikroskopie beteiligt. Erste Ideen hierzu stammten bereits aus seiner Doktorandenzeit in den 1970er Jahren. Gemeinsam mit seinem Bruder Thomas Cremer, inzwischen Professor für Anthropologie und Humangenetik an der Ludwig-Maximilians Universität München, schlug Christoph Cremer in einer Patentschrift im Jahre 1971 die Entwicklung einer Hologramm basierten 4Pi–Laserscanning-Mikroskopie (DE Offenlegungschrift 2116521) vor. Diese Patentschrift enthält bereits erste Ideen zur Verwendung photoschaltbarer Moleküle zu einer verbesserten lichtoptischen Gewinnung von Nanostrukturinformation. Die Grundidee bestand darin, Laserlicht von allen Seiten (Raumwinkel 4Pi) zu einem „spot“ mit einem Durchmesser kleiner als bei der konventionellen Laserscanningmikroskopie zu fokussieren und mit diesem das Objekt punktweise abzutasten; so sollte die optische Auflösung über die konventionelle Grenze (etwa 200 nm lateral, 600 nm axial) hinaus verbessert werden^[1][2] Seit 1992 wurde die 4Pi-Mikroskopie unter Verwendung von zwei gegenüberliegenden Mikroskopobjektiven hoher Numerischer Apertur von Stefan Hell (derzeit Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen) zu einem leistungsfähigen höchstauflösenden Abbildungsverfahren entwickelt.^[3][4]

Entwicklung der ersten DNA-Bestrahlungstechnik für lebende Zellen

Anfangs der 1970er Jahre entwickelten die Brüder eine Laser-UV-Mikrobestrahlungsapparatur, welche erstmals die gezielte Bestrahlung eines Teilbereiches lebender Zellen im Absorptionsmaximum der DNA (257 nm) ermöglichte und die 60 Jahre übliche konventionelle UV-Partialbestrahlung ablöste^[5] Es konnten so zum ersten Mal gezielt (also an vorausgewählten Stellen im Kern lebender Zellen) DNA-Strangbrüche verursacht werden, ohne die Teilungs- oder Lebensfähigkeit der Zelle auszuschalten. Spezifische kleine Zellbezirke konnten mikrobestrahlt und die Dynamik von dort vorhandenen Makromolekülen mengenmäßig abgeschätzt werden. Darüber hinaus erlaubte die hohe Geschwindigkeit des Verfahrens von Sekundenbruchteilen Bestrahlungsdauer die gezielte Bestrahlung von sich bewegenden Zellorganellen. Diese Entwicklung stellte die Grundlage für wichtige Experimente im Bereich der Erforschung des Erbgutes dar (Nachweis von „Chromosomenterritorien“ in lebenden Säugerzellen) und führte 1979/1980 zu einer erfolgreichen Zusammenarbeit mit der Biologin Christiane Nüsslein-Volhard (heute Direktorin am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie Tübingen, Nobelpreis 1995). Christoph Cremer setzte bei dieser Kooperation seine Laser-UV-Mikrobestrahlungsapparatur ein, um zelluläre Veränderungen in frühen Larvenstadien der Taufliege zu erzeugen.^[6][7]

Entwicklung der Konfokalen Laser Scanning Mikroskopie für Fluoreszenz

Auf der Grundlage der bei Bau und Anwendung der Laser-UV-Mikrobestrahlungsapparatur gesammelten Erfahrungen konzipierten die Cremer-Brüder 1978 ein lichtoptisches Laser-Scanning-Verfahren, bei dem die dreidimensionale Objektoberfläche von einem fokussierenden Laserstrahl punktweise abgerastert und dort spezifisch markierte Bereiche zur Fluoreszenz angeregt wurden. Das Bild wurde dann ähnlich wie beim Rasterelektronenmikroskop oder bei dem Scanning Optical Microscope von Davidovits and Egger (US Patent 3643015, 1972) auf elektronischem Wege punktweise zusammengesetzt ^[8].

Besonderer Augenmerk wurde jedoch gelegt auf a) die Bildgebung von spezifisch fluoreszenz-markierten Strukturen b) die Erhöhung des Signalkontrastes in axialer Richtung mithilfe einer in der Bildebene angebrachten kleinen Lochblende vom Durchmesser des dort von einem punktförmigen fluoreszierenden Objekt erzeugten Beugungsscheibchens; diese Grundidee der konfokalen Mikroskopie wurde bereits 1957 von Marvin Minsky zum Patent angemeldet, jedoch ohne Bezug zu Laserlichtquellen (diese waren damals noch nicht vorhanden) und ohne Berücksichtigung von Fluoreszenzanregung. Ein weiterer Unterschied zu verwandten Mikroskopiekonzepten besteht auch darin, dass aufgrund der von Cremer & Cremer gesammelten experimentellen Erfahrungen mit hochstabilen Gaslasern bei ihrem Mikroskopieverfahren auf das „Anregungspinhole“ verzichtet wurde.

Dieser Konstruktionsplan eines Konfokalen Laser Scanning Fluoreszenz Mikroskops (CSLM), mit dem erstmals die Laser-Scanning-Methode mit der dreidimensionalen (3D) Detektion fluoreszierender Objekte verbunden wurde, brachte Christoph Cremer seine Professur an der Universität Heidelberg ein. Die im folgenden Jahrzehnt insbesondere von Arbeitsgruppen an der Universität Amsterdam und am Heidelberger European Molecular Biology Laboratory (EMBL) und den damit verbundenen Industriepartnern technisch zur Anwendungsreife entwickelte Konfokale Laser Scanning Fluoreszenzmikroskopie hielt in den späteren Jahren einen breiten Einzug in die molekularbiologischen und biomedizinischen Labors und stellt noch heute den Goldstandard dar, soweit es um dreidimensionale Lichtmikroskopie mit konventioneller Auflösung geht.

Entwicklung der Lokalisationsmikroskopie/Räumlich strukturierte Beleuchtung)

In vielen Fällen besteht das Ziel der Mikroskopie daran, Größen einzelner kleiner Objekte zu bestimmen. In der herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopie ist das ebenfalls nur bis zu Werten möglich, die um die konventionelle optische Auflösungsgrenze von etwa 200 nm (lateral) liegen.

Mitte der 1990er Jahre begann Christoph Cremer mit der Entwicklung eines lichtmikroskopischen Verfahrens, das eine wesentliche Verbesserung der Größenauflösung fluoreszenzmarkierter zellulärer Nanostrukturen gestattete. Diesmal nutzte er das Prinzip der Weitfeldmikroskopie in Verbindung mit strukturierter Laserbeleuchtung (SMI: räumlich strukturierte Beleuchtung, engl. spatially modulated illumination.^[9] Gegenwärtig wird damit eine Auflösung von 30 – 40 nm (etwa 1/16 – 1/13 der verwendeten Wellenlänge) erreicht. Zusätzlich war diese Technologie nicht mehr den Geschwindigkeitsbeschränkungen der fokussierenden Mikroskopie unterworfen, so dass damit die 3D Analyse ganzer Zellen in kurzen Beobachtungszeiten (derzeit im Bereich weniger Sekunden) möglich wird.

Ebenfalls seit Mitte der 1990er Jahre konzipierte und realisierte Christoph Cremer fluoreszenzoptische Verfahren der Weitfeldmikroskopie, die eine Verbesserung der effektiven optischen Auflösung (im Sinne der kleinsten detektierbaren Distanz zwischen zwei lokalisierten Objekten) um ein Vielfaches der konventionellen Auflösung zum Ziel hatten (SPDM, Lokalisationsmikroskopie, engl. spectral precision distance/position determination microscopy). Durch eine Verbindung von SPDM und SMI Mikroskopie kann Christoph Cremer derzeit bei Weitfeldaufnahmen ganzer lebender Zellen mit dem Vertico-SMI^[10] eine Auflösung von etwa 10 nm in 2D und 40 nm in 3D erreichen.^[11] Für die Weitfeld-3D-Aufnahmen ganzer lebender Zellen werden zur Zeit noch etwa zwei Minuten benötigt, an weiteren Verkürzungen der Zeitdauer wird gegenwärtig gearbeitet. Soweit es sich um die dreidimensionale Analyse ganzer Zellen handelt, stellt das Vertico-SMI derzeit das weltweit schnellste optische 3D Nanoskop dar.

2008 fand Prof. Cremers Arbeitsgruppe heraus, dass unter bestimmten photophysikalischen Bedingungen auch viele „ganz gewöhnliche“ Farbstoffmoleküle wie GFP oder Alexa-Farbstoffe und nicht nur photoschaltbare Farbstoffe für die optische Nanoskopie eingesetzt werden können. Durch die Kombination vieler tausender Einzelaufnahmen derselben Zelle wurden mithilfe von laseroptischen Präzisionsmessungen „Lokalisationsbilder“ mit wesentlich verbesserter optischer Auflösung gewonnen. Dies erweitert die Anwendbarkeit der SPDM-Methode auf zahlreiche Gebiete der biophysikalischen, zellbiologischen und medizinischen Forschung.

Weblinks

• [1] Forscherportrait BMBF
• [2] Pressemitteilung der Universität Heidelberg über aktuelle Entwicklungen der Lichtmikroskopie
• [3]"Blinkende Farbstoffe" in Ruperto Carola, Forschungszeitschrift der Universität Heidelberg
• [4] Christoph Cremers Homepage
• [5] Pushing The Limits: Single Molecule Imaging (PDF; 160 KB)
• [6] Publikationsliste Christoph Cremer
• [7] 4Pi Patentschrift 1971, Offenlegungsnr. 2116521
• [8] Letizia Mancino`s homepage

Literatur

1. ↑ Considerations on a laser-scanning-microscope with high resolution and depth of field: C. Cremer and T. Cremer in M1CROSCOPICA ACTA VOL. 81 NUMBER 1 September,pp. 31—44 (1978)
2. ↑ Rise, fall and resurrection of chromosome territories: a historical perspective Part II. Fall and resurrection of CTs during the 1950th to 1980th. Part III. Chromosome territories and the functional nuclear architecture: experiments and models from the 1990th to the present.T. Cremer and C. Cremer In EUROPEAN JOURNAL of HISTOCHEMISTRY, Vol. 50, pp. 223-272(2006)
3. ↑ Measurement of the 4pi-confocal point spread function proves 75 nm axial resolution: S. Hell, S. Lindek, C. Cremer, E. H. K. Stelzer in APPLIED PHYSICS LETTERS Vol 64, pp. 1335-1337 (1994)
4. ↑ Two-photon excitation 4Pi confocal microscope - Enhanced axial resolution microscope for biological research: P. E. Hänninen, S. W. Hell, J. Salo, E. Soini, C. Cremer, in APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol 68, pp. 1698-1700 (1995)
5. ↑ An ultraviolet Laser microbeam for 257 nm/Eine Laser-UV-Mikrobestrahlungsapparatur für 257 nm: C. Cremer, C. Zorn und T. Cremer in MICROSCOPICA ACTA Vol. 75 • No. 4, pp. 331—337 (1974)
6. ↑ A Fate Map for the Larval Epidermis of Drosophila melanogaster: Localized Cuticle Defects Following Irradiation of the Blastoderm with an Ultraviolet Laser Microbeam: M. Lohs-Schardin, C. Cremer and C. Nüsslein-Volhard in DEVELOPMENTAL BIOLOGY 73, pp. 239-255 (1979)
7. ↑ A dorso-ventral shift of embryonic primordia in a new maternal-effect mutant of Drosophila: C. Nüsslein-Volhard, M. Lohs-Schardin, K.Sander and C. Cremer in NATURE (London), Vol. 283, No. 5746, pp. 474-476(1980)
8. ↑ Considerations on a laser-scanning-microscope with high resolution and depth of field: C. Cremer and T. Cremer in M1CROSCOPICA ACTA VOL. 81 NUMBER 1 September,pp. 31—44 (1978)
9. ↑ Nano-structure analysis using Spatially Modulated Illumination microscopy: D. Baddeley, C. Batram, Y. Weiland, C. Cremer, U.J. Birk in NATURE PROTOCOLS, Vol 2, pp. 2640 – 2646 (2007)
10. ↑ High precision structural analysis of subnuclear complexes in fixed and live cells via Spatially Modulated Illumination (SMI) microscopy: J. Reymann, D. Baddeley, P. Lemmer, W. Stadter, T. Jegou, K. Rippe, C. Cremer, U. Birk in CHROMOSOME RESEARCH, Vol. 16, pp. 367 –382 (2008)
11. ↑ SPDM – Light Microscopy with Single Molecule Resolution at the Nanoscale: P. Lemmer, M.Gunkel, D.Baddeley, R. Kaufmann, A. Urich, Y. Weiland, J.Reymann, P. Müller, M. Hausmann, C. Cremer in APPLIED PHYSICS B, Vol 93, pp. 1-12 (2008)

Personendaten
NAME	Cremer, Christoph
KURZBESCHREIBUNG	deutscher Physiker
GEBURTSDATUM	20. Jahrhundert
GEBURTSORT	Freiburg im Breisgau