Comparative Embryonic Morphogenesis of Emerging Insect Model Organisms

Johann Wolfgang Goethe-Universität

Frederic Strobl

Frederic Strobl absolvierte von 2006 bis 2012 Biologiestudium an der Goethe Universität in Frankfurt am Main, welches er mit einer Diplomarbeit in der Gruppe von Dr. Felix B. Engel am Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung in Bad Nauheim abschloss. Von 2012 bis 2018 promovierte er in Zell- und Entwicklungsbiologie in der Gruppe von Prof. Dr. Ernst H. K. Stelzer am Buchmann Institut für Molekulare Lebenswissenschaften in Frankfurt am Main, wo er bis heute als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig ist.

Auf einen?

Expertise

  • Vergleichende Embryonalentwicklung von Insekten
  • Funktionelle/Angewandte Genetik
  • Fluoreszenzmikroskopie

Interessant für

  • Entwicklungs- und Evolutionsbiolog*innen
  • Biotechnolog*innen mit Schwerpunkt Genetik
  • Insektenliebhaber*innen
Ousa Chea/Unsplash
Frederic Strobl

Frederic Strobl absolvierte von 2006 bis 2012 Biologiestudium an der Goethe Universität in Frankfurt am Main, welches er mit einer Diplomarbeit in der Gruppe von Dr. Felix B. Engel am Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung in Bad Nauheim abschloss. Von 2012 bis 2018 promovierte er in Zell- und Entwicklungsbiologie in der Gruppe von Prof. Dr. Ernst H. K. Stelzer am Buchmann Institut für Molekulare Lebenswissenschaften in Frankfurt am Main, wo er bis heute als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig ist.

Auf einen?

Expertise

  • Vergleichende Embryonalentwicklung von Insekten
  • Funktionelle/Angewandte Genetik
  • Fluoreszenzmikroskopie

Interessant für

  • Entwicklungs- und Evolutionsbiolog*innen
  • Biotechnolog*innen mit Schwerpunkt Genetik
  • Insektenliebhaber*innen

Interview

Arthur Höring
Redakteur

In deiner Arbeit geht es um embryonale Morphogenese. Was versteht man darunter?

Frederic Strobl
schreibt…
Arthur Höring
Redakteur

In deiner Arbeit geht es um embryonale Morphogenese. Was versteht man darunter?

Frederic Strobl
Doktorand

Unter embryonaler Morphogenese versteht man den Prozess, wie eine einzelne befruchtete Eizelle zu einem komplexen Organismus heranwächst. Dabei entstehen viele unterschiedliche Gewebstypen, zum Beispiel Muskel- oder Sinneszellen, die sich auf bestimmte Aufgaben spezialisiert haben und daher nur noch als Kollektiv handlungs- und lebensfähig sind.

Arthur Höring
Redakteur

Welche Einblicke gibt die embryonale Morphogenese von Insekten und warum lohnt es sich, verwandte Spezies zu vergleichen?

Frederic Strobl
Doktorand

Untersuchungen der Morphogenese gestatten uns, den Zusammenhang zwischen der Zelle als kleinster funktionaler biologischer Einheit auf der einen Seite sowie heterogenen Geweben als höherstufigen zusammenarbeitenden Verbänden auf der anderen Seite zu verstehen. Vergleichende Analysen mit mehreren Spezies erlauben es weiterhin, Rückschlüsse auf Ablauf und Mechanismen der Evolution zu ziehen und dadurch zu verstehen, wie die heutige biologische Vielfalt entstanden ist.

Arthur Höring
Redakteur

Für deine Dissertation hast du eine Methode zur Langzeitaufnahme von Insekten-Embryos entwickelt. Wie ist diese Methode aufgebaut und was genau wird dabei untersucht?

Frederic Strobl
Doktorand

Bei meiner Methode werden versuchsbedingt vorbehandelte und dadurch sehr fragile Insektenembryos auf eine dünne Membran geklebt, welche die Entwicklung nicht behindert. Dadurch konnte ich mit Hilfe der Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie mehr als 90% ihrer embryonalen Morphogenese dokumentieren und charakterisieren.

Arthur Höring
Redakteur

Zu den Meilensteinen deiner Arbeit gehört auch die Entwicklung von transgenen Insektenlinien. Was genau kann man darunter verstehen und warum sind diese wichtig für die Forschung? 

Frederic Strobl
Doktorand

Bei der Transgenese wird das Genom, also das genetische Inventar des Zielorganismus, verändert, um entweder bereits bestehende Funktionen auszuschalten oder völlig neue Eigenschaften hinzuzufügen. Für meine Forschung habe ich transgene Linien entwickelt, die nur in spezifischen Gewebsverbänden Fluoreszenzproteine freisetzen. Bei der anschließenden Beobachtung im Fluoreszenzmikroskop können diese Strukturen dann isoliert von ihrer Umgebung betrachtet werden. Das ermöglicht in den meisten Fällen erst eine professionelle Interpretation.

Arbeitskreis für physikalische Biologie

Schlagworte

Emerging insect model organisms, Evolutionary developmental biology, Genetics, Light sheet-based fluorescence microscopy, Morphogenesis

Zusammenfassung

Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster gehört zu den wichtigsten biologischen Modellorganismen, doch ausschließlich der vergleichende Ansatz mit nahe verwandten Spezies erlaubt Aussagen über die evolutionäre Diversifikation der Insekten. Eine besondere Stellung nimmt die Fluoreszenzmikroskopie von lebenden, sich entwickelnden Embryonen ein, mit deren Hilfe die dreidimensionale Morphogenese als Funktion der Zeit erfasst, beschrieben und verglichen werden kann. Allerdings gibt es für Spezies außer Drosophila, zum Beispiel den Rotbraunen Reismehlkäfer Tribolium castaneum, bislang kaum etablierte Standards und die verfügbaren Daten und Ressourcen sind vergleichsweise gering. Ziel meiner Doktorarbeit war es, diese Limitierungen aufzuheben. Die folgenden sechs Meilensteine konnten erreicht werden:

  • Entwicklung der Hemisphäre- und Netzhaltermethoden für nicht-invasive Langzeitaufnahmen von Tribolium-Embryos in Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopen und Charakterisierung der wichtigsten embryonalen Ereignisse.
  • Ausführliche protokollarische Dokumentation dieser Methoden, die unter anderem (i) die Haltung im Labor, (ii) die Vorbereitung der Embryonen, (iii) die Konfiguration des Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskops, (iv) das Durchführen der Aufnahme über mehrere Tage, (v) die Rettung der erfassten Embryos zur Qualitätskontrolle sowie (vi) das Prozessieren der Daten beschreiben.
  • Umfangreiche Adaptionen dieser Methoden, um die embryonale Morphogenese der Mediterranen Fruchtfliege Ceratitis capitata und der Mittelmeer-Feldgrille Gryllus bimaculatus zu beschreiben, zu analysieren und in einen evolutionären Kontext zu setzen.
  • Weiterentwicklung der Hemisphäremethode, die die Referenzpunkt-basierte Fusion von dreidimensionalen Bildern erlaubt, welche entlang mehrerer Richtungen aufgenommen wurden, um so den Schattenwurf-Effekt zu kompensieren.
  • Erstellen des BugCubes, eines Web-basierten Computerprogramms, mit dem Bilddaten, die mit Hilfe der Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie erfasst wurden, mit Kollegen geteilt werden können.
  • Entwicklung und experimenteller Beweis der Funktionalität des (i) AGameOfClones Vektorkonzeptes um homozygote transgene Insektenlinien systematisch herzustellen. Weiterentwicklung und teilweiser experimenteller Beweis der Funktionalität des (ii) AClashOfStrings Vektorkonzepts um doppelt homozygote transgene Insektenlinien systematisch herzustellen, sowie eine vorläufige Evaluierung des (iii) AStormOfRecords Vektorkonzeptes um dreifach homozygote transgene Insektenlinien systematisch herzustellen.
  • Erschaffung und Eignungsprüfung von mehr als fünfzig transgenen Tribolium-Linien für die Langzeitaufnahme der Embryonalentwicklung in Fluoreszenzmikroskopen, unter anderem die ersten Lifeact- und Histon-basierten Linien.

Meine primären Resultate leisten einen signifikanten Beitrag zur erweiterten Fluoreszenzmikroskopie von Insektenspezies jenseits von Drosophila. Sie erlauben es, verschiedene Strategien der embryonalen Insektenmorphogenese zu vergleichen und damit in einen phylogenetischen Kontext zu setzen. Meine technischen Entwicklungen erweitern das methodologische Arsenal für Insekten beachtlich.

In meiner Perspektive erörtere ich die Wichtigkeit von nicht-invasiven Fluoreszenz-Langzeitaufnahmen zur Erstellung von spezies-spezifischen morphogenetischen Standards, diskutiere die Praktikabilität einer morphologischen Ontogenie auf dem
zellulären Level, schlage einen „verschachtelten linear abnehmenden Verwandtschaftsverhältnis“-Ansatz für die evolutionäre Entwicklungsbiologie vor, suggeriere Lebendaufnahmen von Spezieshybriden um das Entstehen neuer Arten zu untersuchen und skizziere zuletzt den Betrag der Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie zur Umstellung auf systematische Datenakquise.

Aus meiner Doktorarbeit gehen zehn Fachartikel hervor, von denen sechs bereits in wissenschaftlichen Zeitschriften mit Begutachtungsverfahren publiziert wurden, außerdem habe ich vier Masterarbeiten und zwei Bachelorarbeiten betreut, deren wissenschaftliche Fragestellungen an mein Promotionsthema angelehnt waren.

Zitiervorschlag

Strobl, Frederic. Comparative embryonic morphogenesis of emerging insect model organisms. Johann Wolfgang Goethe-Universität, 2018, http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:30:3-466152.

Repository

publikationen.ub.uni-frankfurt.de

Identifikatoren

urn: urn:nbn:de:hebis:30:3-466152

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