Automatisierte Einblicke ins Innere der Insekten

Veröffentlichung in Nature Communications

09.11.2020

Im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsprojekts unter Beteiligung der Technischen Universität Darmstadt, der Universität Heidelberg und des Karlsruher Instituts für Technologie haben Wissenschaftler des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien eine leicht zu bedienende Open-Source Online-Anwendung für die Segmentierung biomedizinischer Aufnahmen entwickelt. Die Ergebnisse ihrer Arbeit sind nun in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Einblick in einen tomographierten Ameisenkopf mit Biomedisa (türkis: Mandibel (Kiefer), rot: Muskulatur, grün: Gehirn).

Die TU Darmstadt hatte wesentlichen Anteil an dem Projekt, wie der Evolutionsökologe PD Dr. Michael Heethoff in einer Zusammenfassung der Herangehensweise und Ergebnisse darlegt: Über eine Million Arten von Insekten sind weltweit beschrieben. Viele davon sind heute bereits ausgestorben oder gelten als bedroht. Dass Insekten für das Leben auf der Erde unverzichtbar sind (sei es als Bestäuber, Zersetzer oder als wichtiges Glied der Nahrungskette), haben mittlerweile viele verstanden. Um die Tiere jedoch gezielter schützen zu können, ist es notwendig, noch viel mehr über alle Aspekte ihrer Biologie zu erfahren.

Mit der inneren Anatomie dieser teils mikroskopisch kleinen Tierchen hat sich in den vergangenen sieben Jahren ein vom Bundesforschungsministerium geförderter Forschungsverbund, bestehend unter anderen aus der TU Darmstadt, der Universität Heidelberg, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Helmholz-Zentrums Geesthacht, beschäftigt. So wurden an den Synchrotronen des KIT zwischen 2013 und 2016 und am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) seit 2016 über 2000 Insektenarten hochauflösend tomographiert. „Von den Daten erhoffen wir uns Einblicke in die Evolution und funktionelle Ökologie der Insekten“ so Michael Heethoff, Biologe an der TU Darmstadt und Gesamt-Leiter des Forschungsverbundes.

Die vielen Terabyte an Daten stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jedoch vor ein großes Problem: Bisher waren für jeden Datensatz viele Stunden manueller Auswertungsarbeit nötig – so müssten für die gesammelten Daten noch Jahre in die Auswertung investiert werden. Philipp Lösel und Vincent Heuveline von der Universität Heidelberg ist es jedoch gelungen, mit Biomedisa ein neuartiges Segmentierungstool zu entwickeln, welches weitgehend automatisiert einzelne Organsysteme in tomographischen Daten isolieren kann – und das in einem Bruchteil der bisher veranschlagten Zeit. Biomedisa ist keineswegs auf die Untersuchung von Insekten beschränkt, sondern steht auch der bio-medizinischen Forschung frei zur Verfügung.

Publikation in Nature Communications

Philipp D. Lösel, Thomas van de Kamp, Alejandra Jayme, Alexey Ershov, Tomáš Faragó, Olaf Pichler, Nicholas Tan Jerome, Narendar Aadepu, Sabine Bremer, Suren A. Chilingaryan, Michael Heethoff, Andreas Kopmann, Janes Odar, Sebastian Schmelzle, Marcus Zuber, Joachim Wittbrodt, Tilo Baumbach & Vincent Heuveline: Introducing Biomedisa as an open-source online platform for biomedical image segmentation. Nature Communications, 4 November 2020.

DOI 10.1038/s41467-020-19303-w

Heethoff / feu