Mikroskop aus dem 3D-Drucker

  • 27. July 2017

Open-Source-Projekt ermöglicht günstigen Selbstbau von Labor­ausstattung.

Tübinger Neuro­wissen­schaftler haben ein kosten­günstiges Labor­system für den Selbstbau entwickelt. In der Neuro­wissenschaft ist die Labor­ausrüstung oft der größte Kosten­faktor ‒ dabei liefern auch Experimente mit selbst­gebauten Setups aus dem 3D-Drucker und mit selbst program­mierter Elektronik gute Resultate. Das von André Maia Chagas und Tom Baden entwickelte „FlyPi“-System ist für alltäg­liche Labor­arbeiten wie Licht- und Fluoreszenz­mikroskopie, Optogenetik, Thermo­genetik und Verhaltens­studien an Klein­tieren geeignet. Als modulare, preiswerte Lösung ist es in der Forschung, aber auch für Ausbildung und Unter­richt einsetzbar. Bau- und Bedienungs­anleitungen stehen kostenfrei auf Open-Source-Platt­formen zur Verfügung.

Abb.: Das Gerüst des FlyPi-Systems lässt sich im 3D-Drucker herstellen und selbst montieren, Elektronik und motorisierte Teile mithilfe von Open-Source-Software selbst programmieren. (Bild:T. Baden, CIN)

Abb.: Das Gerüst des FlyPi-Systems lässt sich im 3D-Drucker herstellen und selbst montieren, Elektronik und motorisierte Teile mithilfe von Open-Source-Software selbst programmieren. (Bild:T. Baden, CIN)

In der modernen Neuro­wissenschaft liefern kleine Tiere große Erkenntnisse über Funktionen des Nerven­systems. Die durch­sichtigen Larven von Zebra­fischen, die Frucht­fliege Drosophila, oder der Rundwurm Caenorhab­ditis elegans können leicht in großer Zahl gehalten werden. Vor allem aber wurde ihr Genom voll­ständig sequenziert, was genetische Modi­fikationen ermöglicht, etwa für die Opto­genetik: Bei dieser Methode werden Nerven­zellen genetisch program­miert, auf Licht zu reagieren. Mit Licht­impulsen können dann Hirn­areale oder einzelne Nerven­zellen im lebenden Orga­nismus geschaltet werden. So können Zellen, die bestimmte Körper­funktionen und Verhalten steuern, genau identi­fiziert werden. Die aufwändige Einrichtung für solche Experi­mente umfasst unter anderem Licht­quellen defi­nierter Wellen­länge und regel­barer Intensität, leistungs­starke Kameras und Mikro­skope und eine maßge­schneiderte „Arena“ zur Verhaltens­beobachtung: Ein Labor kann leicht zehn- oder hundert­tausende Euro für den Erwerb kommer­zieller Lösungen ausgeben. Spitzen­wissenschaft und die zugehörige Ausbildung bleiben so auf gut ausge­stattete Institute in reichen Ländern beschränkt.

In einer gemein­samen Initia­tive haben deshalb Neurowissen­schaftler des Tübinger Werner Reichardt Centrums für Inte­grative Neuro­wissen­schaften (CIN) und des Forschungs­instituts für Augen­heilkunde sowie der University of Sussex in Brighton den „FlyPi“ vorgestellt. Dessen Design beruht auf einem 3D-gedruckten Rahmen, in dem Computer und eine Kamera der Marke Raspberry Pi sowie günstige LEDs zur Beleuch­tung und einfache Linsen verbaut sind. Dazu kommen optische und ther­mische Kontroll­elemente, die auf Arduino basieren, einer Open-Source-Plattform für elek­tronische Proto­typen. Zusammen kosten die Bauteile weniger als 100 Euro. Das Basis­system kann mit weiteren Kompo­nenten ausge­stattet werden, die den Preis gerade einmal verdoppeln.

Zwar sind kommer­zielle Produkte in mancher Hinsicht höher entwickelt, Fluoreszenz­mikroskopie mit FlyPi etwa liefert Aufl­ösungen im Mikro­meter-Bereich, während Spitzen-Konfokal- oder Zwei-Photonen-Mikro­skope Zehntel­mikrometer erreichen. Jedoch kosten solche zehnmal höher auflö­senden Geräte auch bis zum 5.000-fachen eines FlyPi, das viele Standard­aufgaben im Labor sehr gut erfüllen kann und sich überdies für Lehrzwecke eignet. Durch seinen modularen Aufbau können einzelne Komponenten auch durch hochwer­tigere Teile ersetzt werden, um beispiels­weise die Auflösung zu verbessern.

Die Entwickler André Maia Chagas and Tom Baden setzen sich stark für die Verbrei­tung von „Open Labware“ ein: So nennt die wachsende Gemeinde, die sich für Open Source, Eigen­kreationen und Tüftelei begeistert, solche Projekte. Seit Jahren geben sie gemeinsam mit Lucia Prieto Godino von der Uni­versität Lausanne Kurse in 3D-Druck, Program­mierung und Labor­geräte-Bau an Univer­sitäten in Kenia, Uganda, Ghana, Nigeria, Südafrika, Sudan und Tansania. „Diese Insti­tutionen haben wenig Geld für teure Labor­ausstattung“, sagt Baden. „Wir finden es sehr wichtig, dass Studium und neuro­wissenschaft­liche Forschung auch in diesen Schwellen­ländern für eine größere Zahl von Stu­dierenden und Wissen­schaftlern möglich werden. Daher hoffen wir, dass wir dafür mit Open Labware wie unserem FlyPi einen Ansatz­punkt liefern können.“

CIN / JOL

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