Warum 2.200 Ameisen in den Teilchenbeschleuniger gesteckt wurden

„Big Data“ ist auch in der Biologie angekommen – selbst bei den kleinsten Tierchen. Doch Insekten einzeln in Computertomografen zu stecken, ist mühsam und extrem langsam.

Ein Forschungsteam der University of Maryland und des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat daher eine neue Methode entwickelt, um eine große Zahl von Ameisen auf einmal zu digitalisieren. Ihr Vorgehen haben die Forscherinnen und Forscher in einem Fachartikel in nature methods veröffentlicht. Die 3D-Modelle der gescannten Ameisen kann man auf Antscan.info anschauen.

Konservierte Ameisen im Synchrotron

Zunächst trugen sie etwa 2200 in Alkohol konservierte Ameisen aus Museen und Sammlungen auf der ganzen Welt zusammen. „Ameisen bilden die ideale Ausgangsbasis für unser Projekt“, meint Co-Autor Thomas van de Kamp vom KIT in einer Aussendung. Mehr als 14.000 Arten seien schon beschrieben, doch gebe es wohl noch Tausende mehr. Ihre Vielfalt lasse sich mit 3D-Bildgebung und optimierter Datenverarbeitung erschließen.

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Statt einer herkömmlichen Röntgenröhre nutzte das Forschungsteam die KIT Light Source, ein Synchrotron, zur Bildgebung. Dieser Teilchenbeschleuniger erzeugt intensive Strahlen, die eine hochauflösende und kontrastreiche Bildgebung ermöglichen.

Die teils verzerrten Posen der konservierten Ameisen wurden per KI-System so angepasst, dass sie eher dem natürlichen Vorkommen entsprechen. Die finalen 3D-Modelle zeigen Details wie Muskeln, Nervensysteme, Verdauungsorgane und Stacheln mit einer Auflösung im Mikrometerbereich.

Wenige Minuten statt 12 Stunden pro Probe

Innerhalb weniger Tage scannte das Forschungsteam die vielen Ameisen, die sich jeweils in einem mit Alkohol gefüllten Röhrchen befanden. Diese wurden von einem Roboterarm rotiert und ausgetauscht.

Innerhalb einer Stunde schafften sie so etwa 25 Scans – eine wesentliche Verbesserung gegenüber den 12 Stunden, die ein konventionelles Mikro-CT für einen einzelnen Scan brauchen würde. „Wir schätzen, dass ein labor-basierter CT-Scanner für dieses Projekt 6 Jahre durchgehenden Betrieb gebraucht hätte“, sagt Co-Autor Julian Katzke.

Vergleichsstudien und Hollywood-Studios

Mithilfe des neuen Datensets könne man umfangreiche Vergleichsstudien durchführen sowie evolutionäre und ökologische Hypothesen überprüfen. Zugang zu physischen Ameisen-Proben seien nicht länger zwingend, denn die digitalen Informationen seien von überall kostenlos verfügbar. In den Metadaten sind der taxonomische Rang, ökologische Informationen, geografische Details und der Status der Genomsequenzierung enthalten. 

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„Der Wert dieser Studie betrifft nicht nur Ameisen, es ist viel breiter“, meint Evan Economo, der an der University of Maryland ein Biodiversitäts-Labor leitet. „Wenn Proben digitalisiert werden, können wir Bibliotheken von Organismen aufbauen, die deren Verwendung von wissenschaftlichen Labors über Klassenzimmer bis hin zu Hollywood-Studios verbessern können.“ Denkbar sei auch, mit den detaillierten Scans Machine-Learning-Systeme zu trainieren, die Ameisen bei der Arbeit im Feld automatisch erkennen können.