Raman-Mikrospektroskopie für die Mikrobiologie
Die Raman-Mikrospektroskopie ist eine schnelle und nicht-invasive
Technologie, um die chemische Zusammensetzung lebender Mikroorganismen
nahezu in Echtzeit zu bestimmen. Jürgen Popp, wissenschaftlicher Direktor
des Leibniz-Institut für Photonische Technologien, beschreibt gemeinsam
mit einem internationalen Expertenteam von Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern die technischen Aspekte der Raman-Analyse und praktische
Ansätze wie sie auf mikrobiologische Fragestellungen angewendet werden
kann. Die Forschenden veröffentlichten ihre Einführung in die Methodik und
das Potenzial für die Mikrobiologie kürzlich in der „Nature Reviews
Methods Primer“.
Die Raman-Mikrospektroskopie ist ein Verfahren, bei dem Forschende ein
Raman-Spektrometer mit einem Lichtmikroskop koppeln, um Bilder der
biomolekularen Zusammensetzung heterogener Proben wie einer Zelle oder
Gewebe aufzunehmen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erklären
in ihrem Artikel technische Aspekte, geben Hinweise wie Proben erfolgreich
gemessen werden und erläutern, wie Raman-Daten verarbeitet und analysiert
werden können. Die Methodik kann bei einer Vielzahl von Schlüsselthemen
der Mikrobiologie neue Erkenntnisse liefern, z.B. bei der Untersuchung des
molekularen Austauschs zwischen Wirt und Mikroorganismus, zwischen
einzelnen Zellen oder einer Zelle und ihrer Umgebung. Forschende können so
tiefe Einblicke in die Funktionsweise dieser Interaktionen erhalten, auf
denen die mikrobiellen Ökosysteme des Meeres bis hin zum menschlichen
Darmmikrobiom basieren.
Die Raman-Technologie als zukünftiges Werkzeug der Wahl in der
Mikrobiologie
Die Raman-Mikrospektroskopie macht es möglich, nahezu in Echtzeit
chemische Informationen von Mikroorganismen zu liefern – zerstörungsfrei,
labelfrei und in-situ (lateinisch für „am Ort“). Das heißt Proben müssen
weder gewaltsam entnommen werden, noch werden sie durch die Messung
beeinträchtigt. Das macht die Mikrospektroskopie im Vergleich zu
alternativen Technologien zu einem einzigartigen Verfahren, um chemische
Aspekte des Stoffwechsels von Mikroorganismen zu untersuchen. Das
Autorenteam sagt voraus, dass die Raman-Mikrospektroskopie in naher
Zukunft zu einer wichtigen Technologie und möglicherweise sogar zum
bevorzugten Verfahren für einzelne Bereiche in der Mikrobiologie werden
wird.
Während die Raman-Mikrospektroskopie in den physikalischen Wissenschaften
bereits etabliert ist, beginnen Mikrobiologinnen und -biologen erst, den
vollen Nutzen des Verfahrens auszuschöpfen. Das Expertenteam beschreibt,
wie die Leistungsfähigkeit und Kapazität der Raman-Mikrospektroskopie
kontinuierlich weiter ausgebaut werden können, um in der Wissenschaft der
Kleinstlebewesen eine noch breitere Anwendung zu finden. Von großer
Bedeutung ist dabei, die Empfindlichkeit des Verfahrens zu verbessern. Bei
der Daten-Auswertung werden Methoden der künstlichen Intelligenz
eingesetzt. Damit können Forschende die molekulare Zusammensetzung von
Proben umfassend messen und unbekannte biochemische Verbindungen
identifizieren. „Ich bin überzeugt davon, dass die Raman-
Mikrospektroskopie großes Potential für die Lebenswissenschaften hat. Wir
zeigen in diesem Fachbeitrag Möglichkeiten auf, wie die Technologie
interdisziplinär eingesetzt werden und auch in anderen Forschungsfeldern
wie der Mikrobiologie neue, innovative Lösungen liefern kann“, so Jürgen
Popp.
Datenspeicherung und Reproduzierbarkeit durch ein offenes Portal
In Zusammenarbeit mit dem Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie
(EMBL) soll als Teil der BioStudies Initiative ein webbasiertes Portal für
die Sammlung von biologischen Raman-Daten entstehen. Das interaktive
Repository soll die Möglichkeit bieten, Raman-Daten aus der Mikrobiologie
zu sammeln und einen uneingeschränkten offenen Zugang zu diesen Daten zu
ermöglichen. Zusammen mit den notwendigen Metadaten wird so auch die
Reproduzierbarkeit veröffentlichter Ergebnisse erleichtert. Dies soll eine
breitere Anwendung der Raman-Technologie in der Mikrobiologie und der
Biologie insgesamt fördern.
