Project Details
Projekt
Visualization and quantitative evaluation of molecular and celluar structures by processing data obtained from cryo-electron tomography
Applicant
Dr. Reiner Hegerl
Subject Area
Biophysics
Term
from 2003 to 2006
Project identifier
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5392064
Elektronentomographie ermöglicht die Visualisierung von dreidimensionalen Zellstrukturen in einem Auflösungsbereich von wenigen Nanometern. Die Abbildung erfolgt nicht nur zerstörungsfrei, sondern zeigt die Objekte - durch Verwendung von Kryopräparationstechniken - auch in einem weitgehend lebensnahen Zustand. Die Strahlungsempfindlichkeit der Objekte zwingt allerdings dazu, die Dosis der Abbildungselektronen so gering wie möglich zu halten. Ausserdem ist die Datenaufzeichnung durch experimentell bedingte Einschränkung (beschränkter Kippwinkelbereich) im Sinne der Informationstheorie unvollständig. Die dreidimensionalen Rekonstruktionen (Tomogramme) sind daher stark verrauscht und mit Artefakten behaftet. Sie muessen mit Mitteln der Bildverarbeitung für die Visualisierung bzw. für die Interpretation erst zugänglich gemacht werden. Das Ziel des Antrags ist die Entwicklung von Methoden zur Rauschreduzierung und Segmentierung der Tomogramme sowie der quantitativen Analyse der abgebildeten Zellstrukturen. Angesichts der Vielfalt von Zellstrukturen werden ganz unterschiedliche Verfahren benötigt, deren Entwicklung stets in enger Zusammenarbeit mit konkreten Anwendungen erfolgen muss. Summary: Electron tomography is the most widely applicable method for visualising the three-dimensional structure of supramolecular assemblies with a resolution of a few nanometers. The analysis is non-invasive and the structures are imaged in a near-to-live state provided that cryo techniques are used for the specimen preparation. Limitations of the method arise mainly from the necessity to apply a very low electron dose to avoid radiation damage and from the fact that the data set recorded in the microscope is incomplete from the viewpoint of information theory (restricted tilt range). As a consequence, the resulting tomograms suffer from a notoriously low signal-to-noise ratio and from so-called "missing-cone" artifacts. It is the aim of the project to develop new image processing methods which allow for an interpretable visualisation of electron tomograms as well as for a quantitative evaluation of such volumetric data. The main points are (1) signal enhancement by noise reduction and (2) image segmentation. Regarding the variety of cellular structures, different methods have to be developed in intimate contact with current investigations.
DFG Programme
Priority Programmes
