In der Gruppe Biomedical Photonics unter der Leitung von Prof. Martin Frenz an der Universität Bern war ich zuständig für den Betrieb und die Modifikation von zwei Femtosekunden-Laser Systemen, beide eingekoppelt in verschiedene Mikroskope. Auf einem davon, einem kombinierten konfokal- und multiphotonen-Mikroskop, instruierte ich zum Einen externe Partner im Gebrauch, zum Anderen führten wir gezielte Abtragung von Zellen im inneren von Gewebeproben durch. Das andere multiphotonen-Mikroskop war von unserer Gruppe selbst aufgebaut worden. Die Software zum Betrieb habe ich in LabView entwickelt; sie steht unter der GPL und kann von Bitbucket heruntergeladen werden.

Phyllotaxis: In einem Projekt untersuchten wir mit Hilfe von durch Femtosekunden-Laser erzeugter Blockaden in Tomatenschösslingen die Entstehung der Blattstellung in Pflanzen: Bei einem Grossteil der Pflanzenarten folgt die Blattstellung fest vorgegebenen Mustern. Wie diese Muster zustande kommen ist allerdings nach wie vor unklar. Die aktuell favorisierte Theorie geht davon aus, dass das Hormon Auxin für das Wachstum der Blätter verantwortlich ist; unterschiedliche Konzentrationen dieses Hormons im Schössling würden demnach die Blattstellung festlegen. In unseren Versuchen testeten wir diese Theorie, indem wir Blattadern blockierten, in denen das Hormon Auxin transportiert wird [Deb et al., 2015].

Nanopartikel im Körper: In einem zweiten Projekt, welches Teil des NFP 64 ist, untersuchten wir den Einfluss von Nanopartikeln auf gesundes Gewebe. Nanopartikel werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften in sehr vielen Bereichen der Kosmetik, der Nahrungsmittelindustrie und der Materialbearbeitung verwendet. Der Einfluss von Nanopartikeln auf gesundes Gewebe ist jedoch unzureichend erforscht. Das NFP 64 versucht diese Lücke zu schliessen. In unserem Teil des Projektes erforschten wir die Reaktion von Neuronen im Gehirn auf Nanopartikel und untersuchten, ob diese Partikel für die Zellen toxisch oder unbedenklich sind.

Klimadaten aus Stalagmiten: Wir untersuchten des Weiteren Flüssigkeitseinschlüsse in Stalagmiten. Das Wasser, welches in solchen Einschlüssen gefangen wurde, behält durch seine Dichte die Information über die Entstehungstemperatur des Stalagmiten gespeichert. Um diese Information abzurufen muss zuerst das Wasser im Einschluss (ohne diesen zu öffnen) teilweise verdampft werden um dann den Radius der entstandenen Blase zu messen. Mit diesen Daten kann dann die Entstehungstemperatur berechnet und lokale Klimadaten der fernen Vergangnheit rekonstruiert werden [Krüger et al., 2011]. Im Zuge dessen habe ich eine Matlab-Klasse, basierend auf IAPWS95 [Marti et al., 2012], geschrieben, die die Zustandsvariablen eines beliebigen Flüssigkeitseinschlusses bei verschiedenen Temperaturen berechnen kann. Die Routine steht unter der GPL und kann bei GitHub heruntergeladen werden.

Intrazelluläre Parasiten: Ein weiteres Projekt war die Erforschung des intrazellulären Parasiten Theileria Annulata. Dieser Parasit befällt in Afrika jährlich 1.1 Millionen Rinder und verursacht so einen Verlust von über 168 Millionen US-Dollar (Stand 1992). Wir konnten zeigen, dass man mit Hilfe ultrakurzer Pulse die Parasitmembran, die sich im inneren des befallenen weissen Blutkörperchens befindet, porös machen kann. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Parasiten durch einschleusen von fremder DNA genetisch zu manipulieren und so zu erforschen, welche zellulären Prozesse der Parasit ausnutzt um mit seiner Wirtszelle zu kommunizieren [Stoller et al., 2008].

I worked as a postdoc in Prof. Martin Frenz‘ Group Biomedical Photonics at the Institute of Applied Physics at the University of Bern. I was heading two femtosecond laser labs, each equipped with several microscopes to investigate samples from a wide range of origins. We constructed a custom built multiphoton microscope for geological research and additionally modified a commercially available combined laser scanning confocal and multiphoton microscope for use in biological and biomedical research. The software for the custom built microscope was developed by me using LabView, and is licensed under the GPL. It can be downloaded from Bitbucket. On the commercially aquired microscope, I also instructed external partners in its use, and we had several collaborations implementing this state-of-the-art setup. As part of my postdoc work, I supervised PhD and master students and tought courses.

Nanoparticles in the Body: As part of the NRP 64, we investigated the influence of nanoparticles on healthy tissue. Nanoparticles are ubiquitous in today’s world, making part of sun screen and other cosmetics, being used as surface enhancements in materials and as ingredients of drugs and food. However, the influence of the particles on health is barely investigated. The NRP 64 aims to narrow the gap in the current knowledge. In our part of the program, we investigated how neurons react to nanoparticles and whether these are toxic to the cells.

Phyllotaxis: A second project we conducted is the investigation of leaf patterning in plants. The leafs in plants grow in fixed patterns. How these patterns emerge still remains unclear; it is commonly believed that the hormone Auxin and its distribution in the meristem is key to the process. Using tomato saplings, we investigated this claim: by blocking specific pathways inside the meristem using the femtosecond pulse laser, we blocked the auxin flow from or to specific regions to assess the part these regions play in the big picture [Deb et al., 2015].

Climate Data from Stalagmites: Furthermore, we investigated aqueous inclusions in stalagmites; the water entrapped in stalagmites upon their formation keeps a record of the temperature present at the time of the formation. If this temperature can be measured, a local climate proxy for long gone eras can be established. We used ultrashort laser pulses to create a vapour bubble in cooled, metastable water inclusions. The measurement of the bubble radius then leads to the calculation of the formation temperature of the inclusion and hence the stalagmite [Krüger et al., 2011]. To assess the state variables of any fluid inclusion, I wrote a Matlab-class, based on IAPWS95 [Marti et al., 2012], that can calculate these at any given temperature. The Routine is licensed under the GPL and can be downloaded from GitHub.

Intrecellular Parasites: We also showed that it is possible to use femtosecond laser pulses to open a pathway for the transfection of the intracellular parasite Theileria Annulata. This opens the possibility of genetically altering the parasite and thus researching the ways it interacts with its host cell [Stoller et al., 2008]. This can lead to a better understand of both Theileria Annulata and Theileria Parva, its close relative, that is responsible for a great yearly economic loss of cattle valued more than 168 million US-dollars in Africa.