Kristin Grußmayer verlegt de grenzen van de microscopie met nieuwe technieken om de exacte locatie van moleculen te bestuderen, en om extreem snel 3D-beelden van de cel te maken. Haar onderzoeksgroep bekijkt het beginstadium van de ziekte van Huntington op zeer kleine schaal, wat nu mogelijk is dankzij deze geavanceerde microscopiemethoden: "Een van de grootste uitdagingen op het gebied van superresolutie is hoe je met levende cellen kunt werken en er tegelijk voor kunt zorgen dat ze tevreden blijven."

Kristin Grußmayer, die in februari 2021 haar laboratorium aan de TU Delft oprichtte, is opgeleid als natuurkundige, maar ze was ook altijd al geïnteresseerd in biologie: "Ik kijk vanuit een natuurkundig perspectief hoe ik met biologische componenten kan werken", zegt Grußmayer. "Je hebt kennis uit verschillende disciplines nodig om microscopie in de biologie toe te passen: natuurkunde, een beetje wiskunde, biologie en scheikunde moeten samenkomen. Met mijn groep bij de afdeling Bionanoscience onderzoek ik superresolutiemicroscopie-methoden op basis van enkele moleculen. Ik ontwikkel deze methoden om nieuwe dingen te weten te komen over de werking van cellen."

Ik vind dat mensen die met een nieuwe methode van microscopie willen werken, geduld moeten hebben en niet te snel moeten opgeven, want de voordelen kunnen groot zijn als je het aan de praat krijgt.

Kristin Grußmayer

Driedimensionale blik op de cel

De kern van het werk van Grußmayer is het verleggen van de grenzen van microscopiemethoden, om die uiteindelijk in de life sciences toe te passen. Wat is er speciaal aan het soort microscopie dat Grußmayer doet? "Onze microscopie is compatibel met levende cellen en kan de inwendige werking van cellen in drie dimensies laten zien", legt Grußmayer uit. "Wij gebruiken verschillende technieken om meer informatie te verzamelen. Om specifieke moleculen zichtbaar te maken onder de microscoop, kunnen wij ze labelen met contrasterende fluorescerende kleurstoffen. Dan kunnen we afzonderlijke kleurstoffen "aan" en "uit" zetten. Hierdoor zijn wij in staat de posities van de moleculen zeer nauwkeurig te bepalen, en een beeld in superresolutie te verkrijgen door alle locaties bij elkaar op te tellen. Wij gebruiken ook statistiek om de verbanden in het uitgezonden licht te analyseren. En met onze nieuwe methode om kwantitatieve fasebeelden te verkrijgen, baseren we ons alleen op de optische eigenschappen van de cellen zelf. Wij kunnen nu met een ongekende snelheid meer te weten komen over de dynamiek in de cel, zonder de moleculen te labelen."

Met een collega heeft Grußmayer ook een nieuwe meervlaksmicroscoop gerealiseerd, die nu acht beelden in één momentopname kan maken: "Door deze beelden te combineren krijgen wij een 3D-beeld van de cel. Op die manier bekijken wij bijvoorbeeld de morfologie van de cel, en kunnen wij bestuderen hoe de celmassa zich in de cel beweegt. Mijn eerste promovendus in Delft is net klaar met het bouwen van een nieuwe versie van zo'n systeem."

Cytoskelet van een zogenaamde COS-7-cel. Opgenomen in 3D met meervlaksmicroscopie; de verticale positie is met kleuren weergegeven. Statistische analyse van fluorescentie die "aan" en "uit" knippert, onthult meer details over de structuur van de cel.

De ziekte van Huntington ophelderen

Grußmayer werkt samen met neurobioloog Hilal Lashuel en zijn groep van de EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne), de technische universiteit in Zwitserland waar zij haar postdoconderzoek deed, om de ziekte van Huntington te bestuderen: "Zoals bij de meeste neurodegeneratieve aandoeningen, weten wij niet wat het onderliggende moleculaire mechanisme is dat tot de ziekte leidt. In de komende jaren zullen wij de vroege fase van Huntington op zeer kleine schaal bekijken. Met onze geavanceerde microscopie kunnen wij de dynamiek kwantificeren van de eiwitophoping die zich vormt wanneer mensen de ziekte van Huntington hebben: hoe beginnen de eiwitten zich op te hopen en samen te klonteren en hoe gedragen ze zich later in het verloop van de ziekte?”

De cellen tevreden houden

De ziekte van Huntington wordt veroorzaakt door een defect in één enkel gen, dat Grußmayer in een cel inbrengt om de ziekte van Huntington te modelleren: "Wij labelen de eiwitten om de levende cellen in hoge resolutie te kunnen bekijken – daarvoor ontwikkelen wij nieuwe microscopielabels, samen met de chemici Richard Wombacher en Kai Johnsson van het Max Planck Instituut in Heidelberg. Wij vullen superresolutietechnieken aan met fasemicroscopie, om een algemener idee te krijgen van wat de cel aan het doen is. Vervolgens combineren wij de informatie van deze verschillende beeldvormingstechnieken."

"Ik wil machine learning gebruiken om uit te zoeken hoe we efficiënt tussen deze technieken kunnen schakelen: welke methode moeten we wanneer gebruiken, en hoe kunnen we de cel nog steeds zachtaardig behandelen, zodat die tevreden blijft? Dit is een van de grootste resterende uitdagingen op het gebied van superresolutie: werken met levende cellen met hoge resolutie, en er tegelijk voor zorgen dat de cellen tevreden blijven - en de gegevens betrouwbaar zijn."

Door speciaal ontworpen glazen prisma's toe te voegen aan een microscoop, kan deze in één momentopname een stapel beelden in 3D maken.

Nieuwe microscopiemethoden toepassen

Grußmayer legt uit hoe zij erin slaagt haar nieuwe technieken meer en meer toe te passen in Delft: "De TU Delft is echt groot op het gebied van beeldvorming en microscopie. Binnen onze afdeling Bionanoscience werk ik bijvoorbeeld samen met Gijsje Koenderink aan hoe cytoskelet-elementen op elkaar inwerken, en dat is een geweldige manier om onze microscopiemethoden toe te passen. Ik houd ook voortdurend contact met beeldverwerkingsspecialisten bij Imaging Physics en de afdeling Precision and Microsystems Engineering. Ik vind dat mensen die met een nieuwe methode van microscopie willen werken, geduld moeten hebben en niet te snel moeten opgeven, want de voordelen kunnen groot zijn als je het aan de praat krijgt."

Open wetenschap

Samen met een team van onderzoekers is Grußmayer onlangs een van de AI-laboratoria van de TU Delft toegekend: "Ik ben blij dat ik aan dit project over deep learning en slimme superresolutiemicroscopie kan beginnen." Grußmayer is een voorstander van open wetenschap. "Als we nieuwe microscopiemethoden bedenken, delen we die op de homepage van ons lab, en ook op GitHub voor open wetenschap, zodat anderen die methoden ook kunnen bouwen." Zij merkt op dat er zo weinig vrouwelijke wetenschappers zijn op het gebied van de natuurkunde. "Dit is verbeterd sinds ik begon met studeren, maar er is nog een lange weg te gaan. Ik hoop dat ik een rolmodel kan zijn."

/* */