Кремер, Кристоф (физик)

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Кремер, Кристоф












Кристо́ф Кре́мер (нем. Christoph Cremer; [Нет даты!]) — немецкий физик. Известен преодолением конвенционального предела разрешения в световой микроскопии (предел Аббе) с помощью различных методов.

Биография[править]

Кремер является почётным профессором (эмерит) Гейдельбергского университета[1]. Ранее он занимал должность почётного профессора в Майнцском университете[2] и руководил исследовательской группой в Институте молекулярной биологии (IMB) при Майнцском университете[3]. По собственному заявлению, Кремер является членом Института химии Общества Макса Планка (Институт Отто Гана) и Института исследования полимеров Общества Макса Планка.

После нескольких семестров изучения философии и истории во Фрайбургском университете и Мюнхенском университете, Кремер изучал физику в Мюнхене. Он получал финансовую поддержку от Студенческого фонда немецкого народа. Кремер получил степень доктора философии (Ph.D.) по генетике и биофизике во Фрайбурге. Затем последовали постдокторские исследования в Институте генетики человека при Фрайбургском университете. Он провёл несколько лет в США в Калифорнийском университете. Кремер прошёл хабилитацию по общей генетике человека и экспериментальной цитогенетике во Фрайбургском университете.

С 1983 года до выхода на пенсию он преподавал в качестве профессора прикладной оптики и обработки информации в Институте физики имени Кирхгофа Гейдельбергского университета. С 2004 года он заведовал кафедрой. Кремер также был членом Междисциплинарного центра научных вычислений. Он участвовал в трёх проектах передового опыта Гейдельбергского университета (2007–2012). Кремер выступал партнёром в Биотехнологическом кластере клеточной и молекулярной медицины. Этот кластер был выбран в 2008 году как один из пяти кластеров передового опыта BMBF. Кремер избирался вторым спикером Сената Гейдельбергского университета и участвовал в управлении университетом.

В качестве адъюнкт-профессора Университета Мэна и члена Лаборатории Джексона (Бар-Харбор, Мэн) он ежегодно проводил исследования во время семестровых перерывов. Кремер участвовал в создании биофизического центра (Институт молекулярной биофизики). Этот центр связан с Гейдельбергским университетом через глобальную сеть сотрудничества.

Кремер женат на архитекторе и художнице Летиции Манчино-Кремер.

Основные разработки[править]

Микроскоп Vertico-SMI позволяет проводить масштабные исследования супрамолекулярных комплексов, в том числе в условиях живой клетки. Он обеспечивает трёхмерную визуализацию биологических препаратов, помеченных обычными флуоресцентными красителями. Разрешение достигает 10 нм в 2D и 40 нм в 3D. Эта технология позволяет разрабатывать новые стратегии профилактики, снижения рисков и терапевтического лечения заболеваний.

Разработка концепции 4Pi-микроскопии[править]

Кремер участвовал в развитии методов световой микроскопии на основе лазеров. Первые идеи возникли в 1970-х годах во время его обучения в аспирантуре. Совместно со своим братом Томасом Кремером (профессором антропологии и генетики человека в Мюнхенском университете) Кристоф Кремер предложил разработать сканирующий 4Pi-микроскоп на основе голограмм. Основная идея заключалась в фокусировке лазерного света со всех сторон (телесный угол 4Pi) в пятно с диаметром меньше обычного лазерного фокуса. Объект сканировался с помощью этого пятна. Это должно было обеспечить улучшенное оптическое разрешение за пределами конвенционального предела (около 200 нм по горизонтали и 600 нм по вертикали)[4][5]. В публикации 1978 года[6] был сделан неточный физический вывод о точечном пятне света. Авторы упустили увеличение осевого разрешения как фактическое преимущество использования другой стороны телесного угла. С 1992 года 4Pi-микроскопия была развита Штефаном Хеллем (Институт биофизической химии Общества Макса Планка, Гёттинген) в высокоэффективный процесс визуализации с высоким разрешением. В нём используются два объектива микроскопа с высокой числовой апертурой, расположенные друг напротив друга[7][8].

Разработка первого метода лазерного УФ-микрооблучения ДНК для живых клеток[править]

В начале 1970-х годов братья создали инструмент для микрооблучения ультрафиолетовым лазером. Он впервые позволил контролируемо облучать крошечную часть живой клетки на максимуме поглощения ДНК (257 нм)[9]. Это заменило традиционное частичное УФ-облучение, применявшееся более 60 лет. Метод позволил целенаправленно вызывать изменения в ДНК (в заданных местах клеточного ядра живых клеток) без ущерба для способности клеток к делению и выживанию. Появилась возможность облучать очень маленькие участки клетки и количественно оценивать динамику содержащихся там макромолекул (ДНК). Благодаря высокой скорости процесса (время облучения составляло доли секунды) стало возможным облучать движущиеся клеточные органеллы. Эта разработка стала основой для экспериментов в области исследования структуры генома. Было установлено существование хромосомных территорий в живых клетках млекопитающих. В 1979–1980 годах это привело к сотрудничеству с биологом Кристианой Нюсляйн-Фольхард (Институт биологии развития Общества Макса Планка, Тюбинген). В рамках этого сотрудничества Кремер использовал своё оборудование для УФ-микрооблучения, чтобы вызвать клеточные изменения на ранних личиночных стадиях плодовой мушки Drosophila melanogaster[10][11].

Разработка конфокальной лазерной сканирующей микроскопии для флуоресценции[править]

На основе опыта создания инструмента для УФ-микрооблучения братья Кремер в 1978 году разработали процесс лазерного сканирования. Он сканирует трёхмерную поверхность объекта точка за точкой с помощью сфокусированного лазерного луча. Общее изображение создаётся электронными средствами, аналогичными тем, что используются в сканирующих электронных микроскопах[4]. Этот план создания конфокального лазерного сканирующего микроскопа (CSLM) впервые объединил метод лазерного сканирования с трёхмерным обнаружением биологических объектов, помеченных флуоресцентными маркерами. За эту работу Кремер получил должность профессора в Гейдельбергском университете. В течение следующего десятилетия конфокальная флуоресцентная микроскопия была доведена до технически зрелого состояния группами из Амстердамского университета и Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге, а также их промышленными партнёрами. Эта технология широко применяется в биомолекулярных и биомедицинских лабораториях.

Разработка методов микроскопии сверхвысокого разрешения[править]

Целью микроскопии часто является определение размера отдельных мелких объектов. Обычная флуоресцентная микроскопия может определять размеры только до конвенционального предела оптического разрешения (около 200 нм по горизонтали). Более чем через 20 лет после подачи патентной заявки на 4Pi[4] Кристоф Кремер вернулся к проблеме дифракционного предела. С помощью микроскопа Vertico SMI он реализовал различные методы сверхвысокого разрешения, включая SMI, SPDM, SPDMphymod и LIMON. Эти методы в основном используются для биомедицинских приложений.

Пространственно-модулированное освещение (SMI)[править]

Около 1995 года Кремер начал разработку светового микроскопического процесса. Он обеспечил улучшенное разрешение размеров клеточных наноструктур, окрашенных флуоресцентным маркером. Кремер применил принцип широкопольной микроскопии в сочетании со структурированным лазерным освещением (пространственно-модулированное освещение, SMI)[12][13][14]. Разрешение достигает 30–40 нм (примерно 1/16–1/13 используемой длины волны). Эта технология не подвержена скоростным ограничениям фокусирующей микроскопии. Стало возможным проводить трёхмерный анализ целых клеток за короткое время наблюдения (несколько секунд). Аббревиатура SMI означает: S — пространственно (spatially), M — модулированное (modulated), I — освещение (illumination)[15].

Локализационная микроскопия SPDM[править]

Около 1995 года Кремер разработал новые подходы к широкопольной микроскопии на основе флуоресценции. Их целью было улучшение эффективного оптического разрешения (наименьшего обнаруживаемого расстояния между двумя локализованными объектами) до доли конвенционального разрешения. Метод получил название SPDM (спектральная прецизионная микроскопия определения расстояния/положения; S — спектральная, P — прецизионная, D — расстояние, M — микроскопия)[16][17][18].

Локализационная микроскопия SPDMphymod[править]

Этот метод позволяет использовать обычные флуоресцентные красители (GFP, RFP, YFP, Alexa 488, Alexa 568, Alexa 647, Cy2, Cy3, Atto 488 и флуоресцеин)[19][20]. Другие технологии локализационной микроскопии требуют двух длин волн лазера при использовании специальных фотопереключаемых/фотоактивируемых флуоресцентных молекул. Метод SPDMphymod применялся для анализа частиц вируса табачной мозаики (TMV)[21][22] и взаимодействия вируса с клеткой[23][24]. Аббревиатура SPDMphymod означает: S — спектральная, P — прецизионная, D — расстояние, M — микроскопия, phy — физически, mod — модифицируемая.

Трёхмерная световая микроскопическая наноразмерная микроскопия (LIMON)[править]

Сочетание SPDM и SMI известно как микроскопия LIMON[20]. Кристоф Кремер достигает разрешения около 10 нм в 2D и 40 нм в 3D на широкопольных изображениях целых живых клеток[25]. Получение широкопольных трёхмерных наноизображений целых живых клеток занимает около двух минут. Ведётся работа по дальнейшему сокращению этого времени. Vertico-SMI является быстрым оптическим трёхмерным наноскопом для структурного анализа целых клеток[14]. В качестве биологического применения в трёхмерном двухцветном режиме было достигнуто пространственное расположение кластеров Her2/neu и Her3. Позиции белковых кластеров во всех трёх направлениях были определены с точностью около 25 нм[26].

Примечания[править]

  1. ↑ Department for Physics and Astronomy. www.physik.uni-heidelberg.de. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2022. Проверено 28 августа 2026.
  2. ↑ [1] Honorary Professorship for IMB's Christoph Cremer
  3. ↑ Optics IMB Mainz, The Cremer Lab https://www.optics.imb-mainz.de/
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 C. Cremer and T. Cremer (1978): Considerations on a laser-scanning-microscope with high resolution and depth of field Microscopica Acta VOL. 81 NUMBER 1 September, pp. 31—44 (1978)
  5. ↑ (2006) «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. In». European Journal of Histochemistry 50: 223–272.
  6. ↑ C. Cremer and T. Cremer (1978): Considerations on a laser-scanning-microscope with high resolution and depth of field Microscopica Acta VOL. 81 NUMBER 1 September, pp. 31—44 (1978)
  7. ↑ (1994) «Measurement of the 4pi-confocal point spread function proves 75 nm axial resolution». Applied Physics Letters 64 (11): 1335–1337. DOI:10.1063/1.111926. Bibcode: 1994ApPhL..64.1335H.
  8. ↑ (1995) «Two-photon excitation 4Pi confocal microscope - Enhanced axial resolution microscope for biological research». Applied Physics Letters 68 (13): 1698–1700. DOI:10.1063/1.113897. Bibcode: 1995ApPhL..66.1698H.
  9. ↑ (1974) «An ultraviolet Laser microbeam for 257 nm/Eine Laser-UV-Mikrobestrahlungsapparatur für 257 nm». Microscopica Acta 75 (4): 331–337.
  10. ↑ (1979) «A Fate Map for the Larval Epidermis of Drosophila melanogaster: Localized Cuticle Defects Following Irradiation of the Blastoderm with an Ultraviolet Laser Microbeam». Developmental Biology 73 (2): 239–255. DOI:10.1016/0012-1606(79)90065-4. PMID 115734.
  11. ↑ (1980) «A dorso-ventral shift of embryonic primordia in a new maternal-effect mutant of Drosophila». Nature 283 (5746): 474–476. DOI:10.1038/283474a0. PMID 6766208. Bibcode: 1980Natur.283..474N.
  12. ↑ (1999) «Lateral modulated excitation microscopy: Improvement of resolution by using a diffraction grating». Proc. SPIE 3568: 185–196. DOI:10.1117/12.336833. Bibcode: 1999SPIE.3568..185H.
  13. ↑ US patent 7,342,717, filed 10 July 1997: Christoph Cremer, Michael Hausmann, Joachim Bradl, Bernhard Schneider Wave field microscope with detection point spread function
  14. ↑ 14,0 14,1 (2007) «Nano-structure analysis using Spatially Modulated Illumination microscopy». Nature Protocols 2 (10): 2640–2646. DOI:10.1038/nprot.2007.399. PMID 17948007.
  15. ↑ (2011) «Structured illumination microscopy of autofluorescent aggregations in human tissue». Micron 42 (4): 330–335. DOI:10.1016/j.micron.2010.06.016. PMID 20926302.
  16. ↑ (1996) «Comparative study of three-dimensional localization accuracy in conventional, confocal laser scanning and axialtomographic fluorescence light microscopy». Proc. SPIE 2926: 201–206. DOI:10.1117/12.260797. Bibcode: 1996SPIE.2926..201B.
  17. ↑ US patent 6,424,421, filed 23 December 1996: Christoph Cremer, Michael Hausmann, Joachim Bradl, Bernd Rinke Method and devices for measuring distances between object structures
  18. ↑ (1997) «High-precision measurements in epifluorescent microscopy - simulation and experiment». Cell Vision 4: 252–253.
  19. ↑ Manuel Gunkel, Fabian Erdel, Karsten Rippe, Paul Lemmer, Rainer Kaufmann, Christoph Hörmann, Roman Amberger and Christoph Cremer: Dual color localization microscopy of cellular nanostructures. In: Biotechnology Journal, 2009, 4, 927–938. ISSN 1860-6768
  20. ↑ 20,0 20,1 (May 2008) «High-precision structural analysis of subnuclear complexes in fixed and live cells via spatially modulated illumination (SMI) microscopy». Chromosome Research 16 (3): 367–82. DOI:10.1007/s10577-008-1238-2. PMID 18461478.
  21. ↑ Cremer, R. Kaufmann, M. Gunkel, S. Pres, Y. Weiland, P- Müller, T. Ruckelshausen, P. Lemmer, F. Geiger, S. Degenhard, C. Wege, N- A. W. Lemmermann, R. Holtappels, H. Strickfaden, M. Hausmann (2011): Superresolution imaging of biological nanostructures by spectral precision distance microscopy: Biotechnology 6: 1037–1051
  22. ↑ Manuel Gunkel, Fabian Erdel, Karsten Rippe, Paul Lemmer, Rainer Kaufmann, Christoph Hörmann, Roman Amberger and Christoph Cremer (2009): Dual color localization microscopy of cellular nanostructures. In: Biotechnology Journal, 2009, 4, 927–938. ISSN 1860-6768
  23. ↑ C. Cremer, R.Kaufmann, M. Gunkel, F. Polanski, P. Müller, R. Dierkes, S. Degenhard, C. Wege, M. Hausmann, U. Birk:"Application perspectives of localization microscopy in virology", Histochem Cell Biol (2014)
  24. ↑ Qiaoyun Wang, Rüdiger Dierkes, Rainer Kaufmanna, Christoph Cremer:"Quantitative analysis of individual hepatocyte growth factor receptor clusters in influenza A virus infected human epithelial cells using localization microscopy" Biochimica et Biophysica Acta (2014)
  25. ↑ P. Lemmer, M.Gunkel, D.Baddeley, R. Kaufmann, A. Urich, Y. Weiland, J.Reymann, P. Müller, M. Hausmann, C. Cremer(2008): SPDM – Light Microscopy with Single Molecule Resolution at the Nanoscale: in Applied Physics B, Vol 93, pp. 1-12
  26. ↑ (2010) «Analysis of Her2/neu membrane protein clusters in different types of breast cancer cells using localization microscopy». Journal of Microscopy 242 (1): 46–54. DOI:10.1111/j.1365-2818.2010.03436.x. PMID 21118230.

Ссылки[править]

Рувики

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Кремер, Кристоф (физик)», расположенная по адресу:

—https://ru.ruwiki.ru/wiki/Кремер,_Кристоф_(физик)

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий.

Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Кремер,_Кристоф_(физик)&oldid=2732253