Smart Plate Imaging Robot: SPIRO
Zeitreihen-Experimente verlieren an Aussagekraft und Reproduzierbarkeit, wenn die Intervalle und Bedingungen der einzelnen Messungen nicht exakt eingehalten werden oder das Objekt ungewollt manipuliert wird. Abmachungen mit Laborkollegen nach dem Motto: „Mach doch bitte 18 Uhr ein Foto von meinen Keimlingen oder Kolonien, ich übernehme dafür die Messung 22 Uhr und 2 Uhr in der Früh“, bergen die Gefahr, dass diese immer wieder etwas unterschiedlich mit den Petrischalen umgehen. Zusätzliche Daten-Schieflagen drohen durch den Transport der Schalen sowie durch schwankende Licht- und Temperaturverhältnisse, da die Fotoaufnahmen meist außerhalb der Anzuchtkammer stattfinden.
Um diese Fehlerquellen beim Imaging von Petrischalen auszuschließen, konstruierte Alyona Mininas Gruppe an der Universität Uppsala in Schweden zusammen mit Kollegen von den Universitäten Heidelberg und Tübingen die Imaging-Plattform SPIRO (Smart Plate Imaging Robot). Minina ist Pflanzenforscherin und untersucht die Regulation von Autophagosomen in Pflanzen. Ihr Motto für SPIRO lautet deshalb „designt von Biologen für Biologen“. Entsprechend ist SPIRO so konzipiert, dass ihn auch Biologen mithilfe eines 3D-Druckers einfach nachbauen können. Der kleine Roboter findet in herkömmlichen Pflanzen-Inkubatoren Platz und kostet nicht einmal 200 Euro.
Schnell zusammengebaut
Die Einkaufsliste sowie eine detaillierte Anleitung, die in 17 Schritten erklärt, welche Komponenten wie zusammenzustecken und zu verkabeln sind, findet man in den Supplements des Papers zusammen mit 3D-Druck-Anweisungen für die Strukturbauteile. Je nach handwerklichem Geschick ist SPIRO in ein paar Stunden oder wenigen Tagen zusammengebaut. Die für den 3D-Druck veranschlagten sieben Tage kann man verkürzen, wenn mehrere Drucker die nötigen Bauteile aus dem gängigen 3D-Druckmaterial Polymilchsäure (PLA) parallel herstellen.
Die gedruckten Einzelteile werden zu einem Würfel ohne Deckel zusammengesetzt. An seinen vier Außenwänden sind Halterungen für Petrischalen mit einer Standardgröße von 12 Zentimetern untergebracht, in denen die Schalen aufrecht stehen. Die weitere Hardware für SPIRO findet man im Baumarkt sowie im Elektronikhandel. Dazu gehören im Wesentlichen Standard-Stangenprofile aus Aluminium, ein Schrittmotor, eine 8-Megapixel-Kamera sowie ein Raspberry Pi als minimalistischer, für Open-Source-Software konzipierter Computer.
Bilder in der Nacht
Die Befehle erhält der Raspberry Pi über eine Mini-SD-Karte, auf der auch die Bilddateien gespeichert werden. Das Bildaufnahme-Programm wurde so konzipiert, dass Nutzer intuitiv verschiedene Parameter ändern können, etwa die Intervalle zwischen Einzelaufnahmen. Die Kamera ist mit Blickrichtung auf eine Seitenfläche des Würfels in einem schmalen vertikalen Gehäuse montiert, das mit einem Anti-Reflektier-Schirm ausgestattet ist. Der Schrittmotor dreht den Würfel mit den Petrischalen in das Sichtfeld der Kamera, worauf diese ein Bild der jeweiligen Petrischale aufnimmt. In Inkubatoren, die dem diurnalen Rhythmus folgen, sind mithilfe einer grünen LED-Lampe Aufnahmen in der Nacht möglich. Dazu beleuchtet die LED die Petrischale für Sekundenbruchteile. Die für die Beleuchtung sowie für den Schrittmotor notwendige Energie liefert ein kleiner 12V-Stromverteiler.
Die Fokussierung der Kamera stellt man von Hand zu Beginn der Aufnahmen ein und behält sie bei. Alternativ konstruierte die Gruppe eine „Luxusvariante“ von SPIRO mit automatischer Fokussierung und einer Arducam-Kamera. Am Gesamtpreis von SPIRO ändert sich hierdurch nicht viel – statt 200 Euro kostet die automatisierte Version 225 Euro.
Petrischalen-Fotoshooting
Für die Aufnahmen durchläuft SPIRO einen vierstufigen Zyklus. Zuerst dreht sich der Plattenwürfel in die Ausgangsposition, damit die gewünschte Platte im Sichtfeld der Kamera ist. Danach wird die Lichtintensität gemessen, und gegebenenfalls die LED-Lampe eingeschaltet. Anschließend wird ein RGB-Bild der Petrischale aufgenommen und im PNG-Format gespeichert. Mit einer 90°-Drehung wird schließlich die nächste Petrischale für das Fotoshooting positioniert. Das Ganze dauert etwa zwei Minuten. Sind vier Petrischalen in den Halterungen des Würfels platziert, werden die Aufnahmen der einzelnen Schalen automatisch in vier separate Dateiordner sortiert.
Der Raspberry Pi steuert Kamera, Schrittmotor, Positionssensor und LED-Lichtquelle. Der Nutzer kann zum Beispiel über WLAN aus der Ferne auf die Software und die gespeicherten Bilddateien zugreifen, um entweder Befehle einzugeben oder die Ergebnisse zu verfolgen. Wer SPIRO in Aktion sehen will, kann auf einem Video Keimlingen beim Wachsen zuschauen.
Andrea Pitzschke
Ohlsson J. et al. (2021): SPIRO - the automated Petri plate imaging platform designed by biologists, for biologists. BioRxiv, DOI: 10.1101/2021.03.15.435343
Bild: A. Minina
