SFB 755:  Photonische Abbildungen auf der Nanometerskala

• Fachliche Zuordnung: Physik ; Biologie ; Chemie ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 28586557

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im SFB 755 „Photonische Abbildung auf der Nanometerskala“ wurden neue optische Methoden entwickelt und angewendet, um Struktur und Dynamik bei hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung abzubilden, auf Längenskalen im Nanometerbereich und auf Zeitskalen, die sich über viele Größenordnungen bis in den Femtosekunden-Bereich erstrecken. In Kombination mit spektroskopischer Information erweitern photonische Abbildungen die Möglichkeiten, biomolekulare Systeme und komplexe Fluide unter funktional relevanten Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Spezielle optische Ansätze ermöglichen etwa die Visualisierung der Trajektorien von markierten Makromolekülen in wässriger Lösung und in lebenden Zellen. Andere erlauben die dreidimensionale Rekonstruktion der Dichteverteilung in Zellen und Geweben, die Darstellung intermolekularer Wechselwirkungen und Kräfte, oder aber der chemischen Zusammensetzung – all dies alles weit jenseits der Auflösungsgrenzen der klassischen Mikroskopie. Folgende methodischen Forschungsfelder wurden bearbeitet: optische Mikroskopie jenseits der Beugungsgrenze (Nanoskopie), multi-dimensionale Mikroskopie, Spektro-Mikroskopie, Röntgenoptik und Röntgenbildgebung, linsenlose Abbildung durch kohärente Optik, zeitaufgelöste Röntgenbeugung, mathematische Datenrekonstruktion und die Mathematik inverser Probleme. Die intensive Zusammenarbeit zwischen den experimentellen und den mathematischen Projektgruppen haben dabei bedeutenden Fortschritt ermöglicht, sowohl im Bereich der Optik, als auch im Bereich der mathematischen Methoden. Daneben wurden auch Molekulardynamik-Simulationen verwendet, um experimentelle Daten mit atomaren Modellen zu verknüpfen. Zu den besonderen Fortschritten, die im SFB 755 erreicht wurden, gehören insbesondere: die Fokussierung von Röntgenstrahlung auf 5 nm, die optimierte Erzeugung und Nutzung kurzer Femtosekunden-EUV-Pulse für kohärente Bildgebung, eine substantielle Verbesserung der isotropen Auflösung im isoSTED-Verfahren, die Rekonstruktion der exakten Verteilung und Stöchiometrie aus der nanoskopischen Aufnahme, die Abbildung lebender Zellen im Röntgen-Dunkelfeldkontrast, erste Experimente an neuen Röntgen-Laser-Quellen, ein neues Verfahren zur Objektrekonstruktion von Einzelmolekül-Beugungsdaten aus Bildserien mit nur drei Photonen pro Beugungsbild, neue Verfahren und Experimente für die zeitaufgelöste Tomographie (4D-Abbildungen), sowie die Entwicklung der virtuellen drei-dimensionalen Histologie durch Röntgenphasenkontrastbildgebung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Arginine52 controls the photoisomerization process in Photoactive Yellow Protein, J. Am. Chem. Soc., 130(11), 3250-3251, 2008
  Groenhof, G., Schäfer, L. V., Boggio-Paqua, M., Grubmüller, H., and Robb, M. A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ja078024u)
• High-Transmission Planar X-Ray Waveguides, Phys. Rev. Lett., 100, 184801, 2008
  T. Salditt, S.P. Krüger, C. Fuhse, and C. Bähtz
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.100.184801)
• Morphological clues to wet granular pile stability, Nat. Mater., 7, 189–193, 2008
  Scheel, M., Seemann, R., Brinkmann, M., DI Michiel, M., Sheppard, A., Breidenbach, B., and Herminghaus, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nmat2117)
• Spherical nanosized focal spot unravels the interior of cells, Nat. Methods, 5, 539–544, 2008
  Schmidt, R., Wurm, C. A., Jakobs, S., Engelhardt, J., Egner A., and Hell, S. W.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nmeth.1214)
• Block Copolymer Nanostructures Mapped by Far-Field Optics, Nano Lett., 9(6), 2497–2500, 2009
  Ullal,C. K., Schmidt, R., Hell, S. W., and Egner, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nl901378e)
• Diffraction-unlimited three-dimensional optical nanoscopy with opposing lenses, Nat. Photonics, 3, 381–387, 2009
  Hell, S.W., Schmidt, R., and Egner, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.112)
• High-resolution probing of cellular force transmission, Phys. Rev. Lett., 102(16), 168102, 2009
  Mizuno, D., Bacabc, R., Tardin, C., Head D., and Schmidt, C. F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.102.168102)
• Iteratively Regularized Gauss-Newton Methods for Nonlinear Inverse Problems with Random Noise, SIAM J. Numer. Anal., 47(3), 1827– 1846, 2009
  Bauer, F., Hohage, T., and Munk, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1137/080721789)
• Mitochondrial Cristae Revealed with Focused Light, Nano Lett., 9 (6), 2508–2510, 2009
  Schmidt, R., Wurm, C. A., Punge, A., Egner, A., Jakobs, S., and Hell, S. W.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nl901398t)
• Huygens principle and iterative methods in inverse obstacle scattering, Adv. Comput. Math., 33, 413–429, 2010
  Ivanyshyn, O., Kress, R., and Serranho, P.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10444-009-9135-6)
• Quantitative biological imaging by ptychographic x-ray diffraction microscopy, PNAS, 107, 529-534, 2010
  Giewekemeyer, K., Thibault, P., Kalbfleisch, S., Beerlink, A., Kewish, C. M., Dierolf, M., Pfeiffer, F., and Salditt, T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.0905846107)
• A readily retrievable pool of synaptic vesicles, Nat. Neurosci., 14, 833– 839, 2011
  Hua, Y., Sinha, R., Thiel, C. S., Schmidt, R., Hüve, J., Martens, H., Hell, S. W., Egner, A. and Klingauf, J.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nn.2838)
• Two-color nanoscopy of three-dimensional volumes by 4Pi detection of stochastically switched fluorophores, Nat. Methods, 8(4), 353-9, 2011
  Aquino, D., Schönle, A., Geisler, C., Middendorff, C. V., Wurm, C. A., Okamura, Y., Lang, T., Hell, S. W. and Egner, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nmeth.1583)
• Convergence rates in expectation for Tikhonov-type regularization of inverse problems with Poisson data, Inverse Problems, 28, 104004, 2012
  Werner, F. and Hohage, T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0266-5611/28/10/104004)
• Drift estimation for single marker switching based imaging schemes, Opt. Express, 20(7), 7274-89, 2012
  Geisler, C., Hotz, T., Schönle, A., Hell, S. W., Munk, A. and Egner, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/oe.20.007274)
• Intermediate Filaments in Small Configuration Spaces, Phys. Rev. Lett., 108(8), 088101, 2012
  Nöding, B. and Köster, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.108.088101)
• Local linear convergence of approximate projections onto regularized sets, Nonlinear Anal. Theory, Methods Appl., 75(3), 1531-1546, 2012
  Luke, D. R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.na.2011.08.027)
• Polymer Dynamics, Fluorescence Correlation Spectroscopy, and the Limits of Optical Resolution, Phys. Rev. Lett., 108(10), 108101, 2012
  Enderlein, J.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.108.108101)
• Shape-constrained regularization by statistical multiresolution for inverse problems: asymptotic analysis, Inverse Problems, 28(6), 065006, 2012
  Frick, K., Marnitz, P. and Munk, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0266-5611/28/6/065006)
• Extreme-ultraviolet light generation in plasmonic nanostructures, Nat. Phys., 9, 304-309, 2013
  Sivis, M., Duwe, M., Abel, B. and Ropers, C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys2590)
• Generation and Bistability of a Waveguide Nanoplasma Observed by Enhanced Extreme-Ultraviolet Fluorescence, Phys. Rev. Lett., 111(8), 85001, 2013
  Sivis, M. and Ropers, C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.111.085001)
• Nonconvex notions of regularity and convergence of fundamental algortihms for feasibility problems, SIAM J. OPTIM 23(4), 2397-2419, 2013
  Hesse, R. and Luke, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1137/120902653)
• Reconstruction of extended sources for the Helmholtz equation, Inverse Problems, 29(3), 035005, 2013
  Kress, R. and Rundell, W.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0266-5611/29/3/035005)
• Statistical Multiresolution Estimation for Variational Imaging: With an Application in Poisson-Biophotonics, J. Math. Imaging Vis., 46(3), 370-387, 2013
  Frick, K., Marnitz, P. and Munk, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10851-012-0368-5)
• Sub-5 nm hard x-ray point focusing by a combined Kirkpatrick-Baez mirror and multilayer zone plate,. Opt. Express, 21(16), 19311, 2013
  Döring, F., Robisch, A., Eberl, C., Osterhoff, M., Ruhland, A., Liese, T., Schlenkrich, F., Hoffmann, S., Bartels, M., Salditt, T. and Krebs, H. U.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/oe.21.019311)
• Fluorescence nanoscopy by polarization modulation and polarization angle narrowing, Nat. Methods, 11(5), 579-84, 2014
  Hafi, N., Grunwald, M., van den Heuvel, L. S., Aspelmeier, T., Chen, J.-H., Zagrebelsky, M., Schütte, O. M., Steinem, C., Korte, M., Munk, A., and Walla, P. J.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nmeth.2919)
• IEEE Transactions on Signal Processing, 62(18), 4868-4881, 2014
  Hesse, R., Luke, D.R., and Neumann, P.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TSP.2014.2339801)
• Phase retrieval for Fresnel measurements using a shearlet sparsity constraint, Inverse Problems, 30, 55005, 2014
  Loock, S. and Plonka, G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0266-5611/30/5/055005)
• Scanning STED-FCS reveals spatiotemporal heterogeneity of lipid interaction in the plasma membrane of living cells, Nat Commun., 5, 5412, 2014
  Honigmann, A., Mueller, V., Ta, H., Schoenle, A., Sezgin, E., Hell, S. W. and Eggeling, C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms6412)
• Scanning X-Ray Nanodiffraction on Living Eukaryotic Cells in Microfluidic Environments, Phys. Rev. Lett., 112, 88102, 2014
  Weinhausen, B., Saldanha, O., Wilke, R. N., Dammann, C., Priebe, M., Burghammer, M., Sprung, M. and Köster, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.088102)
• Orbital-specific Mapping of the Ligand Exchange Dynamics of Fe(CO)5 in Solution, Nature 520 (7545), 78-81, 201
  Ph. Wernet, et al.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature14296)
• The Filament Sensor for Near Real-Time Detection of Cytoskeletal Fiber Structures, PLoS ONE, 10(5), e0126346, 2015
  Eltzner, B., Wollnik, C., Gottschlich, C., Huckemann, S., Rehfeldt, F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0126346)
• X-Ray Holographic Imaging of Hydrated Biological Cells in Solution, Phys. Rev. Lett., 114(4), 48103, 2015
  Bartels, M. Krenkel, M. Haber, J. Wilke R.N., and Salditt, T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.114.048103)
• 4Pi-RESOLFT nanoscopy, Nat Commun., 7, 10504, 2016
  Böhm, U., Hell, S. W. and Schmidt, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms10504)
• Controlling molecular transport in minimal emulsions, Nat Commun., 7, 10392, 2016
  Gruner, P., Riechers B., Semin, B., Lim, J., Johnston, A., Short, K., and Baret, J.-C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms10392)
• Lateral association and elongation of vimentin intermediate filament proteins: A time-resolved light-scattering study, PNAS, 113 (40), 11152-11157, 2016
  Lopez, C. G., Saldanha, O., Huber, K., and Köster, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1606372113)
• Tailored semiconductors for high-harmonic optoelectronics, Science, 357, 303-306, 2017
  Sivis, M., Taucer, M., Vampa, G., Jonston, K., Staudte, A., Naumov, A. Y., Villeneuve, D. M., Ropers, C. and Corkum, P. B.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aan2395)
• Locality estimates for Fresnel-wavepropagation and stability of x-ray phase contrast imaging with finite detectors, Inverse Problems, 34, 124004 (38pp), 2018
  Maretzke, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6420/aae78f)
• Near-infrared STED nanoscopy with an engineered bacterial phytochrome, Nat Commun., 9, 4762, 2018
  Kamper, M., Ta, H., Jensen, N. A., Hell, S. W. and Jakobs, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-018-07246-2)
• Three-dimensional virtual histology of human cerebellum by X-ray phase-contrast tomography, PNAS, 2018
  Töpperwien, M., van der Meer, F., Stadelmann, C. and Salditt, T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1801678115)
• Viscoelastic properties of vimentin originate from nonequilibrium conformational changes, Sci. Adv. 4(6), eaat1161, 2018
  Block, J., Witt, H., Candelli, A., Cabanas Danes, J., Peterman, E. J. G., Wuite, G. J. L., Janshoff, A. and Köster, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/sciadv.aat1161)
• Heterogeneous and rate-dependent streptavidin–biotin unbinding revealed by high-speed force spectroscopy and atomistic simulations, PNAS, 116(14), 6594-6601, 2019
  Rico, F., Russek, A., González, L., Grubmüller, H. and Scheuring
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1816909116)