Engineering meets Biology

PD Dr. Joachim Boldt, Prof. Ulrich Egert, Dr.-Ing. Thorsten Falk, Prof. Carsten Mehring, Prof. Gerald Radziwill, Prof. Michael Reth, Jun.-Prof. Winfried Römer, Prof. Wilfried Weber

Dieses gemeinsame Modul für Studierende der Biologie und der Ingenieurswissenschaften soll dazu anregen, die Methoden der jeweils anderen Disziplin kennen zu lernen und mit denjenigen der eigenen Disziplin zu kombinieren. Hierzu wird den Studierenden der Biologie vermittelt, welche Möglichkeiten die Ingenieurswissenschaften bieten um biologische Systeme mit gewünschten Eigenschaften zu konstruieren und zu analysieren. Die Studierenden der Ingenieurswissenschaften erlernen hierbei, wie sie ihre bisherigen Kenntnisse über technische Systeme ebenfalls zur Konstruktion und Analyse biologischer Systeme verwenden können.

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Vorlesung: Konstruktion, Analyse und technische Anwendung biologischer Systeme mit Methoden der Ingenieurswissenschaften.

• Konstruktion: Wie kann man aus einzelnen "biologischen Bausteinen" biologische Systeme mit gewünschten Eigenschaften konstruieren? Lichtgesteuerte Schalter zur Kontrolle der Funktion von biologischen Systemen.
• Analyse: Optische und elektronische Sensoren zur Echtzeitanalyse von biologischen Systemen. Bildanalyse und Bildverarbeitung zur automatischen Prozessierung biologischer Daten.
• Technische Anwendung (Gehirn-Maschine-Interface) sowie ethische und sicherheitsrelevante Implikationen der synthetischen Biologie.

Praktische Übung: In dieser Übung werden die Studierenden ein biologisches System konstruieren und analysieren:

• Konstruktion: Entwurf eines (lichtgesteuerten) genetischen Schaltkreises und dessen Implementierung in tierischen Zellen.
• Analyse und Anwendung: Mikroelektroden-Arrays und moderne mikroskopische Verfahren zum Auslesen der biologischen Systeme. Bildanalyse und Bildverarbeitung der mikroskopischen Daten. Interfaces zwischen biologischen und technischen Systemen

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Vorlesung: (2 SWS) Montag, 10ct - 12 Start: 23.10.2018 Raum: 00.023/024, Signalhaus (Schänzlestr. 18) Teil 1 (Weber, Radziwill): Design und Konstruktion biologischer Systeme: Synthetische Biologie Teil 2 (Römer): Visualisierung biologischer Systeme am Beispiel künstlicher Membranen Teil 3 (Falk): Analyse biologischer Systeme mittels automatischer Bildverarbeitung Teil 4 (Mehring, Egert, Reth): Anwendungen biologischer Systeme in der Immunologie und Neurotechnologie Teil 5 (Boldt): Ethische und sicherheitsrelevante Implikationen technischer biologischer Systeme Übungen und Seminare: (4 SWS) Donnerstag, 14ct - 18, Teil 1 25.10.2018 Signalhaus, Schänzlestr. 18, Seminarraum 00.023 01.11.2018 Signalhaus, Schänzlestr. 18, Kursraum 00.003 08.11.2018 Signalhaus, Schänzlestr. 18, Kursraum 00.003 Teil 2 15.11.2018 Signalhaus, Schänzlestr. 18, Kursraum 00.003 22.11.2018 Signalhaus, Schänzlestr. 18, Kursraum 00.003 29.11.2018 Signalhaus, Schänzlestr. 18, Kursraum 00.003 Teil 3 06.12.2018 Technische Fakultät, Georges-Köhler-Allee Geb. 082-SR 00 028 (Pool) 13.12.2018 Technische Fakultät, Georges-Köhler-Allee Geb. 082-SR 00 028 (Pool) 20.12.2018 Technische Fakultät, Georges-Köhler-Allee Geb. 082-SR 00 028 (Pool) Teil 4 10.01.2019 Labor AG Egert, Technische Fakultät 17.01.2019 Labor AG Egert, Technische Fakultät Teil 5 24.01.2019 Seminarraum Institut für Ethik und Geschichte der Medizin, Stefan-Meier-Strasse 26 31.02.2019 Seminarraum Institut für Ethik und Geschichte der Medizin, Stefan-Meier-Strasse 26 Ansprechpartner zu Organisatorischen Fragen: Apl. Prof. Gerald Radziwill (gerald.radziwill--at--bioss.uni-freiburg.de), Prof. Wilfried Weber (wilfried.weber--at--biologie.uni-freiburg.de) Kontaktperson: Teil 3 "Image Analysis": Anton Böhm. ECTS Credits: 6 Empfohlenes Semester: 5 (Informatik), 3 (Biologie) Vorausgesetzte Kurse/Vorkenntnisse: keine Sonstiges: Sprache: Deutsch (Folien auf Englisch). Eintrag im Vorlesungsverzeichnis (HISinOne): Vorlesung: 09LE03V-PM-03_0001 "Konstruktion, Analyse und Anwendung biologischer Systeme" Übung: 09LE03Ü-PM-03_0002 "Optische Schalter und Sensoren zur Steuerung und Analyse von biologischen Systemen" Ausführliches Programm auf der BIOSS homepage

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Slides und Übungsunterlagen:

Folien zu den Vorlesungen und Übungsblätter werden 1-2 Tage im Voraus online geschaltet. Passwort und Login wird während der ersten Vorlesung bekanntgegeben.

Slides:

No	Datum	Folien	Themen
1	03.12.2018	EngMeetsBio2018_ImageAnalysis1.pdf	Einführung in die mikroskopische Bildanalyse, Intensitätsmessungen in Raum und Zeit, Segmentierung I
2	10.12.2018	EngMeetsBio2018_ImageAnalysis2.pdf	Segmentierung II, Filterung, Registrierung
3	11.12.2017	EngMeetsBio2018_ImageAnalysis3.pdf	Deep Learning

Übungsunterlagen:

• Exercise 1 (Calcium Imaging Dataset, Volume Dataset, VolumeDataset (TIFF), Colocalisation Data)
• Exercise 2 (Blobs, Colocalisation Data)
• Exercise 3 (Frog kidney (quappen), Car1, Car2, PhC_Cells, DIC_Cells_01, DIC_Cells_02)

Jede Gruppe (2-3 Personen) muss einen Report über alle drei Übungen schreiben. Dieser ist spätestens bis zum 11.01.2018 per E-Mail abzugeben. Die Reports (idealerweise im pdf-Format), werden als ein zip-Archiv der Form Nachname1Nachname2Nachname3_bioeng.zip abgegeben. Hinweise, wie solch ein Report aufgebaut ist und was er enthalten soll ist am Anfang dieser Vorlesung beschrieben: EngMeetsBio2018_ImageAnalysis1.pdf.

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Teils komplementäre Vorlesungsunterlagen aus dem WS 2015/2016 (Prof. Ronneberger):

No	Datum	Folien und Aufzeichnungen	Themen
1	30.11.2015	EngMeetsBio_ImageAnalysis_1.pdf EngMeetsBio_ImageAnalysis_1.mp4 (230MB)	Einführung in die mikroskopische Bildanalyse, Der Bildaufnahmeprozess, Intensitätsmessungen in Raum und Zeit
2	07.12.2015	EngMeetsBio_ImageAnalysis_2.pdf EngMeetsBio_ImageAnalysis_2.mp4 (199MB)	Bildsegmentierung, automatisches Zählen und Vermessen von Objekten im Bild
3	14.12.2015	EngMeetsBio_ImageAnalysis_3.pdf EngMeetsBio_ImageAnalysis_3.mp4 (706MB) -- sorry left part of the screen black...	Deep Learning; Bildregistrierung (Ausrichtung)