Das AWI-NMR-Labor

Das Herz, der Fuß, der Muskel – von der Miesmuschel ist auf dem Computerbild alles gut zu sehen. Sie ist eine von vielen Lebewesen, die mit Hilfe der Kernspinresonanz-Tomographie im NMR-Labor des Alfred-Wegener-Instituts unter die Lupe genommen werden. NMR steht für Nuclear Magnetic Resonance – bekannter ist die in Krankenhäusern übliche Abkürzung MRT. „Wir studieren in unserem Labor, wie die Tiere auf den Klimawandel reagieren, etwa auf eine Veränderung der Temperatur oder des Sauerstoff-Gehalts im Wasser. Das können wir im Tomographen simulieren und die Stoffwechselreaktion der Organismen darauf beobachten“, sagt Laborleiter Dr. Christian Bock. Zusammen mit seinen Kollegen blickt er tief ins Innere der Tiere – Fischen sogar ins Gehirn. Und das mit einem hochleistungsfähigen Gerät.

Der Anfang 2016 neu eingebaut Tomograph liefert dank einer Feldstärke von 9,4 Tesla hoch aufgelöste Bilder – und das selbst von kleinen Lebewesen. „Früher haben wir Fische, Muscheln, Schnecken und Würmer in dem Tomographen untersucht, die eine Mindestgröße von mehreren Zentimetern haben mussten. Heute kann leicht eine Auflösung von 100 Mikrometern für Schichtaufnahmen erreicht werden. Damit sollten wir jetzt auch Jungstadien der Organismen untersuchen oder sogar Zooplankton wie Krill oder Copepoden analysieren können“, sagt Christian Bock.

Den Krebsen in der Miesmuschel auf der Spur

Die Miesmuschel ist ein Beispiel dafür. Zwar konnte sie auch früher schon untersucht werden. Nicht aufgelöst werden konnten hingegen etwa im Darmtrakt der Miesmuschel sitzende Copepoden. Für derartige Untersuchungen haben die Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts inzwischen perfekte Forschungsbedingungen.

Das starke Magnetfeld kann durch eine supraleitende Spule erzeugt werden, die im Innern des Tomographen  auf eine Temperatur von minus 269 Grad abgekühlt wird. Dafür wird flüssiges Helium benötigt. Die Stromstärke, die für die Erzeugung des Magnetfeldes in der Spule benötigt wird, kann so 190 Ampere betragen. Auf die Waage bringt der Tomograph ein Gewicht von 10,5 Tonnen. Er ist vor allem so schwer, weil in ihm Eisen verbaut wurde, um das Magnetfeld abzuschirmen.

Weltweit einzigartig

„Mit unserem System sind wir für die nächsten 10 bis 15 Jahre konkurrenzfähig“, sagt Christian Bock. Einmalig ist auch nach wie vor der Strömungskanal, mit dem die AWI-Wissenschaftler im NMR-Labor arbeiten. Dieser weltweit einzigartige Kanal ermöglicht es, direkt den Stoffwechsel von schwimmenden Fischen zu untersuchen. Dazu kann die Strömungsgeschwindigkeit verändert werden.

Zusätzlich können die Forscher experimentell die Temperatur oder die Kohlendioxid-Konzentration im Wasser manipulieren. So können sie zum Beispiel beobachten, wie sich die Leistungsfähigkeit von Fischen potentiell in wärmeren und saurerem Wasser verändert. Dies ist für die Forscher interessant, weil sich im Zuge des Klimawandels auch die Ozeane derart verändern.

„Wir haben mit den Arbeiten in unserem NMR-Labor eine große Expertise aufgebaut und betreiben wichtige Grundlagenforschung. Unser Vorteil ist, dass wir den Tomographen ausschließlich für die Meeresforschung nutzen können. In den meisten anderen Laboren muss die Umweltforschung nebenbei betrieben werden, denn sie dienen eigentlich als Serviceeinrichtungen für die klinische Forschung“, so Christian Bock.

Doch neben der Grundlagenforschung gibt es auch wichtige Einsatzfälle in der Praxis. So kann der Tomograph etwa für die AWI-Aquakulturforschung eingesetzt werden, um zum Beispiel während der Aufzucht den Fettgehalt der Fische zu bestimmen.

Der Kernspin in der Kammer
Der Kernspin in der Kammer (Foto: Sina Löschke)

Der Einbau des MRT in Zeitraffer

Ein Fischgehirn - Eine Aufnahme aus der Kernspinresonanz-Tomographie
Ein Fischgehirn - Eine Aufnahme aus der Kernspinresonanz-Tomographie (Foto: Sina Loeschke)