Imaging-systems for localization-based super-resolution light-microscopy in physical biology : design and applications

Physical Biology is a field of life sciences dealing with the extraction of quantitative data from biophysical or molecular biological experiments with different levels of complexity. Such data are further used as parameters for mathematical models of the biological system. These models allow to predict reactions on external stimuli by describing the relevant molecular interactions and are therefore used for example to generate a deeper comprehension of complex human diseases. An essential technique in biophysical research on human diseases is fluorescence microscopy. This is a constantly developed toolbox comprising a large number of specific labeling strategies, as well as a broad spectrum of fluorescent probes. It is further minimal invasive and therefore suitable for measurements in living cells or organisms. The sensitivity of modern photo-detectors even allows for the detection of a single fluorescent probe with an accuracy of approximately 10 nm. ... The model-prediction was further verified by two color SMLM experiments. In this work the development and application of imaging-systems are described which provide quantitative data with single-molecule resolution for systems biological model approaches with a low degree of abstractness. In the near future, the impact of mathematical models in the research field of complex human diseases will increase. The predictions of these models will be more exact, the more detailed and accurate the input parameters will become. This work gives an impression of how quantitative data obtained by SMLM may serve as input parameters for mathematical models at the single-cell level.Die physikalische Biologie beschäftigt sich mit der Erhebung quantitativer Daten aus biophysikalischen und molekularbiologischen Experimenten unterschiedlicher Komplexität. Diese Daten können als Eingangsparameter für mathematische Modelle des zu untersuchenden biologischen Systems dienen. Solche systembiologischen Modelle bilden die relevanten Interaktionen zwischen Molekülen ab und erlauben das Verhalten des Systems auf externe Stimuli zu beschreiben. Ein essentieller Bestandteil biophysikalischer Untersuchungen von Zellen bis zu Organismen ist die Fluoreszenzmikroskopie. Sie zeichnet sich durch eine Vielzahl stetig weiterentwickelter, spezifischer Markierungsstrategien, sowie ein breites Spektrum an Fluoreszenzfarbstoffen aus. Durch eine geringe Invasivität ist sie geeignet, um Untersuchungen selbst an lebenden Zellen oder Organismen durchzuführen. Die hohe Sensitivität moderner Photosensoren erlaubt es selbst einzelne Fluoreszenzsonden mit einer Genauigkeit von ca. 10 nm zu detektieren. ... Die Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung von Einzelmolekül-Imaging-Systemen zur Erhebung quantitativer Daten auf Basis einzelner Zellen und mit der Auflösung einzelner Biomoleküle. Diese Daten dienen als Eingabeparameter für systembiologische Modelle von geringem Abstraktheitsgrad. In naher Zukunft werden systembiologische Modelle eine immer größere Rolle in der Erforschung humaner Erkrankungen finden. Die Modellvorhersagen werden mit steigender Genauigkeit der Eingabeparameter verlässlicher werden. Diese Arbeit gibt einen Einblick, welches Potential quantitative Daten aus Einzelmolekül-Imaging-Systemen als Eingabeparameter solcher Modelle inne haben