Englische Übersetzung des Titels: Development of Quantitative Analysis Methods in Localization Microscopy

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Abstract

Um biologische Systeme auf dem Niveau einzelner Proteine und kleiner Proteinkomplexe besser untersuchen und verstehen zu können, ist eine Auflösung weit unterhalb der Grenze der konventionellen Fluoreszenzmikroskopie erforderlich. In den letzten Jahren wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die Beugungsgrenze zu überwinden. Eine dieser Methoden stellt die Lokalisationsmikroskopie dar, welche eine Strukturauflösung in Zellen bis in den Bereich von 20 nm ermöglicht. Die vorliegende Arbeit beschreibt neue Methoden für quantitative Analysen basierend auf der Lokalisationsmikroskopie. Neben der erhöhten Strukturauflösung wird hierbei die zusätzliche Information der einzeln detektierten Moleküle genutzt. Die Kombination der Visualisierung von Strukturen im Bereich <100 nm mit statistischen Analysen der Proteinverteilung auf diesen Strukturen eröffnet neue Möglichkeiten biologische und biophysikalische Fragestellungen zu untersuchen. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelten Algorithmen werden vorgestellt und auf verschiedene aktuelle biologische Fragestellungen angewandt. Hierzu zählen die Analyse der Verteilung von Her2/neu-Proteinen in Brustkrebszellen, eine quantitative Untersuchung von Tight Junction-Netzwerken sowie Distanzanalysen von Splicing-Faktoren im Bezug auf den transkribierten DNA-Strang, um einen tieferen Einblick in die Faltung der mRNA zu erhalten. Außerdem wurde eine detaillierte Untersuchung des Einflusses des Einbettmediums auf die Lokalisationsmessungen mit unterschiedlichen konventionellen Farbstoffen durchgeführt.

Übersetzung des Abstracts (Englisch)

For a better understanding of biological systems on the scale of single proteins, a resolution far beyond the limits of conventional fluorescence microscopy is required. In recent years, various methods have been developed to overcome the diffraction limit. One of these, localization microscopy, provides a structural resolution down to the 20 nm range. The present thesis describes novel methods for quantitative analyses based on localization microscopy. Besides enhanced structural resolution, additional information from individually detected molecules is used. The combination of the visualisation of structures <100 nm and statistical analyses of the distribution of proteins on these structures opens up new possibilities for the investigation of biological and biophysical questions. The algorithms developed in the context of the present thesis are introduced; they were applied to various current biological questions, which include the analysis of the distribution of Her2/neu proteins in breast cancer cells, a quantitative investigation of tight junction networks and a distance analysis of splicing factors relating to the transcribed DNA strand which allows for a deeper insight into the folding of mRNA. Furthermore, a detailed investigation of the influence of the embedding medium on localization microscopy measurements with different standard fluorophores was performed.