Innovative Methoden für zoologische Sammlungen

Mittels hochaufgelöster dreidimensionaler Magnetresonanztomographie (MRT) und Mikro-Computertomographie (μCT) werden die Sammlungstücke am Molecular Imaging North Competence Center (MOIN CC) und der Abteilung Funktionelle Bildgebung (Deutsches Primatenzentrum (DPZ), Göttingen) vergleichend morphometrisch analysiert. Diese Techniken erlauben teils völlig neue Einsichten in die Anatomie und in Kombination mit 3-D-Rekonstruktionen auch in die biomechanische Funktion, wie sie durch herkömmliche Sektionen kaum möglich sind. Moderne, hochsensitive Sequenziertechnologien am Institut für Klinische Molekularbiologie (IKMB) erlauben zudem die Erbgutanalyse, auch aus chemisch modifiziertem Material, wie es z.B. bei der Fixierung der Sammlungstücke auftritt.

Morphometrische Analyse

Die MRT erlaubt die zerstörungsfreie dreidimensionale Darstellung, insbesondere von Weichteilgeweben, in hoher räumlicher Auflösung von wenigen Mikrometern. Mit diesem Verfahren können insbesondere bisher nicht zugängliche innere Organe wertvoller Typus- und Belegexemplare beschädigungsfrei analysiert und dreidimensional rekonstruiert werden. Der herausragende Gewebskontrast der MRT erlaubt dabei eine detailgetreue Rekonstruktion wichtiger Organsysteme wie z.B. Muskulatur, Hepatopancreas und Spermathek. Komplementär dazu ermöglicht die Mikro-Computertomographie die Darstellung röntgendichter Strukturen wie dem Exoskelett. Die computergestützte Fusion von MRT- und CT- Datensätzen liefert wichtige Informationen, unter anderem zum Zusammenspiel von Muskulatur und Stützstruktur. Ebenso lassen sich die Akkumulation röntgendichter Strukturen (Schwermetalle, mineralische Substanzen) im Hepatopancreas und Reste von Nahrungsbestandteilen im Verdauungstrakt darstellen. Die Registrierung der Bilddaten von Sammlungsstücken eines bestimmten Zeitraums bzw. im Zeitverlauf erlaubt zudem über die computergestützte morphometrische Auswertung, die Formenvielfalt dieser Spezies in ein neues quantitatives System zu bringen. Damit lassen sich Anpassungsvorgänge ebenso wie die Kontinuität oder Sprünge in der Evolution besser verstehen. Die 3-dimensionale Rekonstruktion beweglicher Körperteile ermöglicht zudem Analysen der Biomechanik. Die Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf folgende Organsysteme:

  1. Verdauungstrakt (z.B. Anpassung auf Grund veränderter Nahrungsgrundlage)
  2. Fortpflanzungsorgane (Größe, Aktivität, Passformen)
  3. Muskuloskelettale Strukturen (Lokomotion als mögliches Beispiel für relativ schnelle Adaptation)
  4. Nervensystem (Untersuchung an ausgewählten, gut erhaltenen Präparaten als mögliches Beispiel für ein sich nur wenig veränderndes Organsystem).

Die mikroCT Untersuchungen werden im MOIN CC an einem Forschungs-μCT (Viva CT 80, Scanco Medical) durchgeführt. Für die MRT-Untersuchungen stehen im MOIN CC ein 7T- und in der Abteilung Funktionelle Bildgebung ein 9,4T-Kleintierforschungs-MRT zu Verfügung. Größere Spezies können hier zudem in einem 3T Ganzkörper-MRT untersucht werden. Alle hierfür notwendigen Technologien sind verfügbar (Kooperation Prof. Boretius) und in umfangreichen exemplarischen Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass eine hochaufgelöste 3-dimensionale Darstellung der historischen Präparate sehr gut möglich ist.

 

Analyse alter DNA

Bei alter DNA (aDNA) handelt es sich um geringe Mengen von degradiertem und chemisch modifizierten genetischem Material, wie es sich auch bei musealen Sammlungstücken finden lässt. Für die Arbeit mit aDNA wurden in Kiel spezielle DNA-Extraktionsmethoden entwickelt und Reinsträume aufgebaut, die die hierfür notwendigen hohen Anforderungen an Reinheit, technische Ausstattung und molekularbiologisches Know-how gewährleisten. Die Untersuchungen können an organischen Proben verschiedenster Herkunft erfolgen (Zähne, Knochen, Bodenproben, Museumspräparate). Die Analyse von aDNA in Kombination mit Hochdurchsatz-Sequenzierung ermöglicht einen direkten Einblicke in prägende Ereignisse der Evolutionsgeschichte, wie die Entwicklung von domestizierten Tieren, die genetische Untersuchung von ausgestorbenen Arten oder populationsgenetische Fragestellungen mit historischem Material. Zudem wurden bioinformatische Protokolle und enzymatische Reparaturmechanismen etabliert, um die Authentizität und die epigenetischen Marker der aDNA festzustellen. Spezielle DNA-Anreicherungsverfahren sind vorhanden, um gezielt aDNA von Genen oder ganzen Genomen anzureichern und zu untersuchen. Diese Verfahren ermöglichen eine Rekonstruktion des Erbgutes von Organismen auch aus minimalsten und stark fragmentierten aDNA-Proben.

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