Christoph Cremer (nacido en Friburgo de Brisgovia, Alemania ) es un físico alemán y emérito [1] de la Universidad Ruprecht-Karls de Heidelberg , ex profesor honorario de la Universidad de Mainz [2] [3] y ex líder de grupo en Instituto de Biología Molecular (IMB) de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz , Alemania , [4] quien superó con éxito el límite convencional de resolución que se aplica a las investigaciones basadas en la luz (el límite de Abbe ) mediante una variedad de métodos diferentes (1971/1978). desarrollo del concepto de microscopía 4Pi, 1996 microscopía de localización SPDM, 1997 SIM de iluminación espacialmente estructurada (desarrollado por primera vez en 1995 por John M. Guerra en Polaroid Corp.) [5 ] . [6] [7] Mientras tanto, según su propia declaración, Christoph Cremer es miembro del Instituto Max Planck de Química (Instituto Otto Hahn) y del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros . [8] [9] [10]
Su microscopio actual, Vertico-SMI, es el nanomicroscopio óptico más rápido del mundo que permite la investigación a gran escala de complejos supramoleculares, incluidas las condiciones de las células vivas. Permite obtener imágenes en 3D de preparados biológicos marcados con tintes fluorescentes convencionales y alcanza una resolución de 10 nm en 2D y 40 nm en 3D.
Por lo tanto, este nanoscopio tiene el potencial de contribuir sustancialmente a la actual revolución en imágenes ópticas que afectará a toda la investigación en biología molecular, médica y farmacéutica. La tecnología permite el desarrollo de nuevas estrategias para la prevención, reducción de riesgos y tratamiento terapéutico de enfermedades.
Después de algunos semestres de estudio de filosofía e historia en la Universidad de Friburgo y la Universidad de Munich , Cremer estudió física en Munich (con el apoyo financiero de la Studienstiftung des Deutschen Volkes ) y completó su doctorado. en genética y biofísica en Friburgo. A esto le siguieron estudios postdoctorales en el Instituto de Genética Humana de la Universidad de Friburgo, varios años en Estados Unidos en la Universidad de California y su " habilitación " en genética humana general y citogenética experimental en la Universidad de Friburgo. Desde 1983 hasta su jubilación enseñó como profesor (cátedra desde 2004) de "óptica aplicada y procesamiento de información" en el Instituto Kirchhoff de Física de la Universidad de Heidelberg. Además, fue miembro del Centro Interdisciplinario de Computación Científica. Cremer participó en tres "Proyectos de Excelencia" de la Universidad de Heidelberg (2007-2012), y también fue socio del Clúster de Biotecnología para tecnologías basadas en células y medicina molecular, uno de los cinco clusters seleccionados en 2008 como clusters de excelencia alemanes del BMBF . Elegido segundo presidente del Senado de la Universidad de Heidelberg, Cremer también participó en la gestión y la política universitaria. En su función como profesor adjunto en la Universidad de Maine y como miembro del Laboratorio Jackson ( Bar Harbor, Maine ), donde realiza investigaciones durante varias semanas cada año durante las vacaciones semestrales, participó en el establecimiento del centro de biofísica ( Instituto de Biofísica Molecular), que está vinculado con la Universidad de Heidelberg a través de una colaboración "Global Network".
Cremer está casado con la arquitecta y artista Letizia Mancino-Cremer.
Cremer participó desde el principio en el desarrollo de enfoques de microscopía óptica basados en láser . Las primeras ideas tuvieron su origen en sus años de estudiante de posgrado en la década de 1970. Junto con su hermano Thomas Cremer , ahora profesor (presidente) de Antropología y Genética Humana en la Universidad Ludwigs-Maximilian de Munich, Christoph Cremer propuso el desarrollo de un microscopio de escaneo láser 4Pi basado en hologramas . La idea básica era enfocar la luz láser desde todos los lados (ángulo espacial 4Pi) en un punto con un diámetro menor que el foco láser convencional y escanear el objeto a través de este punto. De esta manera debería ser posible alcanzar una resolución óptica mejorada más allá del límite convencional de aprox. 200 nm laterales, 600 nm axiales. [11] [12] Sin embargo, la publicación de 1978 [13] había llegado a una conclusión física incorrecta (es decir, un punto de luz en forma de punto) y había omitido por completo el aumento de la resolución axial como beneficio real de agregar el otro lado del sólido. ángulo. [14] Desde 1992, la microscopía 4Pi ha sido desarrollada por Stefan Hell (Instituto Max-Planck de Química Biofísica, Göttingen) hasta convertirla en un proceso de obtención de imágenes de alta resolución y altamente eficiente, utilizando dos lentes objetivo de microscopio de alta apertura numérica opuestas entre sí. [15] [16]
A principios de los años 1970, los hermanos desarrollaron un instrumento de microirradiación láser UV que permitía por primera vez irradiar de forma controlada sólo una pequeña parte de una célula viva con el máximo de absorción del ADN (257 nm). [17] Esto reemplazó la irradiación parcial UV convencional practicada durante más de 60 años. De esta manera, fue posible por primera vez inducir alteraciones en el ADN de manera focalizada (es decir, en lugares predeterminados en el núcleo celular de células vivas) sin comprometer la capacidad de las células para dividirse y sobrevivir. Se pudieron irradiar determinadas regiones celulares muy pequeñas y así estimar cuantitativamente la dinámica de las macromoléculas (ADN) contenidas en ellas. Además, gracias a la alta velocidad del proceso, que utiliza tiempos de irradiación de fracciones de segundo, fue posible irradiar incluso orgánulos celulares en movimiento . Este desarrollo sentó las bases para importantes experimentos en el campo de la investigación de la estructura del genoma (estableciendo la existencia de los llamados territorios cromosómicos en células vivas de mamíferos ) y condujo, unos años más tarde (1979/1980), a una exitosa colaboración con la bióloga Christiane Nüsslein-Volhard ( Instituto Max Planck de Biología del Desarrollo , Tubinga ). En esta colaboración, Cremer utilizó su equipo de microirradiación láser UV para provocar cambios celulares en las primeras etapas larvarias de la mosca de la fruta Drosophila melanogaster . [18] [19]
Basándose en la experiencia adquirida en la construcción y aplicación del instrumento de microirradiación láser UV, los hermanos Cremer diseñaron en 1978 un proceso de escaneo láser que escanea punto por punto la superficie tridimensional de un objeto mediante un láser enfocado. haz y crea la imagen general por medios electrónicos similares a los utilizados en los microscopios electrónicos de barrido. [11] Es este plan para la construcción de un microscopio confocal de escaneo láser (CSLM), que por primera vez combinó el método de escaneo láser con la detección 3D de objetos biológicos marcados con marcadores fluorescentes , lo que le valió a Cremer su puesto de profesor en la Universidad. de Heidelberg. Durante la siguiente década, la microscopía de fluorescencia confocal fue desarrollada hasta un estado técnicamente maduro, en particular por grupos que trabajan en la Universidad de Amsterdam y el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) en Heidelberg y sus socios industriales. En años posteriores, esta tecnología fue adoptada ampliamente por laboratorios biomoleculares y biomédicos y sigue siendo hasta el día de hoy el estándar de oro en lo que respecta a la microscopía óptica tridimensional con resolución convencional.
El objetivo de la microscopía es en muchos casos determinar el tamaño de objetos pequeños e individuales. La microscopía de fluorescencia convencional sólo puede establecer tamaños alrededor del límite de resolución óptica convencional de aproximadamente 200 nm (lateral). Más de 20 años después de presentar la solicitud de patente 4 pi, [11] [20] Christoph Cremer volvió al problema del límite de difracción. Con el microscopio Vertico SMI pudo realizar sus diversas técnicas de súper resolución, incluidas SMI, SPDM, SPDMphymod y LIMON. Estos métodos se utilizan principalmente para aplicaciones biomédicas [21]
Alrededor de 1995, comenzó con el desarrollo de un proceso microscópico óptico, que logró una resolución de tamaño sustancialmente mejorada de nanoestructuras celulares teñidas con un marcador fluorescente. Esta vez empleó el principio de microscopía de campo amplio combinado con iluminación láser estructurada (iluminación espacialmente modulada, SMI) [22] [23] [24] Actualmente, una resolución de tamaño de 30 – 40 nm (aproximadamente 1/16 – 1/13 de la longitud de onda utilizada) se está logrando. Además, esta tecnología ya no está sujeta a las limitaciones de velocidad de la microscopía de enfoque, por lo que es posible realizar análisis 3D de células enteras en tiempos de observación cortos (actualmente, de unos pocos segundos). Desambiguación SMI: S = espacialmente, M = Modulada I= Iluminación. [25]
También alrededor de 1995, Cremer desarrolló y realizó nuevos enfoques de microscopía de campo amplio basados en fluorescencia que tenían como objetivo mejorar la resolución óptica efectiva (en términos de la distancia más pequeña detectable entre dos objetos localizados) hasta una fracción de la resolución convencional (espectral). microscopía de precisión para determinación de distancia/posición, SPDM; Desambiguación SPDM: S = Espectral, P = Precisión, D = Distancia, M = Microscopía). [26] [27] [28]
Con este método, es posible utilizar tintes fluorescentes convencionales, bien establecidos y económicos, estándar como GFP, RFP, YFP, Alexa 488, Alexa 568, Alexa 647, Cy2, Cy3, Atto 488 y fluoresceína.[29] [30] a diferencia de otras tecnologías de microscopía de localización que necesitan dos longitudes de onda láser cuando se utilizan moléculas de fluorescencia especiales fotoconmutables/fotoactivables. Otro ejemplo del uso de SPDMphymod es el análisis de partículas del virus del mosaico del tabaco (TMV). [31] [32] o interacción virus-célula. [33] [34]
Desambiguación SPDMphymod: S = Espectral, P = Precisión D = Distancia, M = Microscopía, phy = físicamente, mod = modificable
Combinando SPDM y SMI, conocida como microscopía LIMON. [30] Actualmente, Christoph Cremer puede alcanzar una resolución de aprox. Imágenes de campo amplio de 10 nm en 2D y 40 nm en 3D de células vivas completas. [35] Las "nanoimágenes" 3D de campo amplio de células vivas enteras todavía tardan unos dos minutos, pero actualmente se está trabajando para reducirlo aún más. Vertico-SMI es actualmente el nanoscopio óptico 3D más rápido para el análisis estructural tridimensional de células completas en todo el mundo [24] . Como aplicación biológica en el modo de color dual 3D, se logró la disposición espacial de los grupos Her2/neu y Her3. Las posiciones en las tres direcciones de los grupos de proteínas se pudieron determinar con una precisión de aproximadamente 25 nm. [36]
