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.

Aus Kohlenstoffdioxid wichtige Ausgangsmaterialien für Feinchemikalien
machen – das funktioniert tatsächlich: Einem Forscherteam des Fraunhofer
IGB ist es im Max-Planck-Kooperationsprojekt eBioCO2n erstmals gelungen,
CO2 in einer auf dem Transfer von Elektronen basierenden Enzymkaskade zu
fixieren und in einen festen Ausgangsstoff für die chemische Industrie
umzuwandeln. Das Verfahren zur elektrobiokatalytischen CO2-Fixierung wurde
bereits publiziert und gilt als »Hot Paper«.

Durch die Verbrennung von fossilen Rohstoffen entsteht klimaschädliches
Kohlenstoffdioxid, das als Treibhausgas eine große Rolle bei der
Erderwärmung spielt. Dennoch ist Erdöl aktuell immer noch einer der
wichtigsten Rohstoffe – nicht nur als Energieträger, sondern auch als
Ausgangsmaterial für die chemische Industrie und damit für zahlreiche
Dinge unseres Alltags, wie Medikamente, Verpackungen, Textilien,
Reinigungsmittel und mehr. An verschiedenen Alternativen für fossile
Quellen wird daher intensiv geforscht.

Nachwachsende Rohstoffe sind eine zukunftsträchtige Möglichkeit, aber
nicht die einzige alternative Rohstoffbasis, um die Verfügbarkeit von
grünen Syntheseprodukten in den nächsten Jahren abdecken zu können. Eine
nachhaltige Ergänzung hierzu im Sinne einer kreislauforientierten
Kohlenstoffwirtschaft ist die Möglichkeit, CO2 gezielt und unter milden
Reaktionsbedingungen zu fixieren.

Abscheidung aus der Luft für weniger CO2-Emissionen

Einem Forscherteam am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer-Instituts
für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ist es nun gemeinsam mit
Kolleginnen und Kollegen des Max-Planck-Instituts für terrestrische
Mikrobiologie in Marburg und der TU München erstmals gelungen, CO2
elektrobiokatalytisch in wertvolle Substanzen für die chemische Industrie
umzuwandeln. Durch Kombination verschiedener Ansätze aus Bioelektrochemie,
Enzymbiologie und synthetischer Biologie wurden hierfür spezielle
Bioelektroden entwickelt, um mit Strom aus erneuerbarer Energie Enzyme
anzutreiben, die in einer gekoppelten Reaktion ähnlich der Photosynthese
feste organische Moleküle aus dem Treibhausgas herstellen.

Ziel ist es, damit CO2 direkt aus der Luft abzuscheiden: »Das Verfahren
könnte dann nicht nur dazu beitragen, dass die Industrie auf fossile
Rohstoffe verzichten kann, sondern durch die CO2-Reduktion die Klimawende
außerdem aktiv vorantreiben«, erklärt Dr. Michael Richter, Leiter des
Innovationsfelds Bioinspirierte Chemie am Fraunhofer IGB. »Zunächst ging
es uns jedoch darum zu zeigen, dass unsere Idee überhaupt funktioniert,
eine solch komplexe biokatalytische Multienzym-Reaktion auf diese Art mit
Strom anzutreiben.«

Hydrogel transportiert Elektronen für CO2-fixierende Enzyme

Mit Erfolg: Die Forschenden haben sich vom Stoffwechsel der
Mikroorganismen inspirieren lassen und ein strombasiertes Verfahren für
die CO2-Fixierung entwickelt. Hauptakteure sind CO2 fixierende Enzyme, die
von den Kollegen Dr. David Adam und Prof. Tobias Erb, Direktor am MPI in
Marburg, entwickelt wurden. Eine Herausforderung bestand nun darin, die
CO2-fixierenden Enzyme kontinuierlich mit den für die Reduktion von CO2
benötigten Elektronen zu versorgen, die regenerativer Strom liefern kann.
Dies gelang durch Einbettung der Enzyme in ein redoxaktives Hydrogel,
wodurch sie elektrochemisch so angetrieben werden können, dass sie
Kohlenstoffdioxid an ein Substrat binden und damit in einen wertvollen
Zwischenstoff umwandeln. »Das Verfahren ist ein sehr effizienter
Reaktionsweg, eine reduktive Carboxylierung, die sehr ökonomisch und
sauber abläuft, weil man keine weiteren Substanzen im System braucht –
lediglich Kohlenstoffdioxid, Substrat und Elektronen, bevorzugt aus
erneuerbaren Quellen«, erläutert Dr. Leonardo Castañeda-Losada, der in
seiner Doktorarbeit auf dem Gebiet der Elektrobiokatalyse forschte und nun
am Fraunhofer IGB gemeinsam mit Dr. Melanie Iwanow und Dr. Steffen Roth im
Projekt arbeitet.

Die an der TU München am Lehrstuhl von Prof. Nicolas Plumeré eigens
entwickelten Hydrogele, in denen die Enzyme ihre Arbeit verrichten, sind
so modifiziert, dass sie Elektronen gut leiten und den Biomolekülen
gleichzeitig optimale Arbeitsbedingungen bieten. »So können wir nicht nur
Monolagen an Enzymen einsetzen, sondern dies auch dreidimensional um ein
Vielfaches erweitern, da die Elektronen im Gel an jeden Ort geleitet
werden. Das sind gute Voraussetzungen für eine zukünftige Skalierung des
Verfahrens für die chemische Industrie«, verdeutlicht Prof. Volker Sieber,
der am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer IGB schon lange Strategien
zur CO2-Speicherung verfolgt.

Cofaktoren werden gleichzeitig permanent regeneriert

Der völlig neue Ansatz der Forschenden beruht aber nicht nur auf der
Tatsache, dass eine enzymatische Reaktionssequenz erfolgreich mit Strom
angetrieben werden kann, sondern beinhaltet auch ein weiteres äußerst
innovatives Modul: Damit die Reaktionen wie gewünscht ablaufen und am Ende
eine möglichst hohe Produktausbeute steht, braucht es in dem Fall eine
kontinuierliche Zufuhr an »Doping« fürs Enzym: die passenden und
funktionalen Cofaktoren. Diese kleinen, organischen Moleküle werden im
Lauf jeder einzelnen Reaktion verbraucht und müssen regeneriert werden, um
wieder einsatzfähig zu sein. Sie in großen Mengen neu bereitzustellen, ist
sehr teuer und damit für die Industrie unwirtschaftlich. Deshalb haben die
eBioCO2n-Experten eine Möglichkeit gefunden, um sie mithilfe von Strom
innerhalb des gleichen Reaktionssystems in den Hydrogelen wieder erneuern
zu können – theoretisch unendlich lange. »Eigentlich müsste man nur ein
einziges Mal Cofaktor ins System geben, und dieser würde dann immer wieder
automatisch regeneriert. Aber in der Praxis funktioniert das nur annähernd
so gut, weil der Cofaktor nicht unendlich lange stabil bleibt – aber
durchaus schon sehr lange«, sagt Richter.

Für den bioelektrokatalytischen Recyclingprozess der Cofaktoren steht den
Forschenden sogar ein ganzer Werkzeugkasten an unterschiedlichen Enzymen
zur Verfügung, die sie aus verschiedenen Organismen aufgespürt haben. So
ist das Spektrum dieser Biomoleküle für weitere Arbeiten je nach Anwendung
modulartig erweiterbar und als Plattformsystem verwendbar. »Man kann aus
bioinformatischen Datenbanken praktisch beliebig Enzyme auswählen, diese
biotechnologisch herstellen und in die Hydrogele einbauen«, sagt Richter.
»So wäre die Herstellung verschiedener biobasierter Feinchemikalien
denkbar, die man bei entsprechendem Ausbau über weitere Enzymkaskaden
praktisch nach Bedarf diversifizieren könnte.“« Hier bringt inbesondere
das Marburger MPI seine Expertise ein. Gelingt dies in einer
entsprechenden Skalierung, könnte die Plattformtechnologie ein
zukunftsträchtiges Geschäftsmodell für die chemische Industrie werden.

Plattformsystem soll beliebig erweiter- und skalierbar werden

Mithilfe der bioinspirierten CO2-Fixierung aus dem Labor konnte man am
Fraunhofer IGB ein Coenzym-A-Derivat carboxylieren, ein für viele
Stoffwechselvorgänge in Lebewesen wichtiges Biomolekül. »Hierbei handelt
es sich um das bislang anspruchsvollste Molekül, an das auf
biokatalytischem Weg CO2 fixiert werden konnte«, so Richter. »Das ist bei
weitem nicht selbstverständlich, eine so große und strukturell
anspruchsvolle Substanz mit dieser Technologie zu modifizieren.« Nun steht
für die Forschenden die letzte Herausforderung an: zu beweisen, dass ihre
Idee zuverlässig und skalierbar funktioniert sowie modular erweitert
werden kann. Am IGB ist man jedoch optimistisch, vor allem auch vor dem
Hintergrund eines gut funktionierenden interdisziplinären Teams, wie der
Wissenschaftler betont. In Folgeprojekten sollen dann auch möglichst
schnell Industriepartner mit einbezogen werden.

Weitere Informationen zum Projekt

Das Projekt wird unter dem Titel »eBioCO2n – Stromgetriebene
CO2-Konversion durch synthetische Enzymkaskaden zur Herstellung von
Spezialchemikalien« geführt und im Rahmen des Fraunhofer-Max-Planck-
Kooperationsprogramms von Januar 2019 bis Dezember 2022 gefördert.

Teile der Arbeiten wurden zudem über das ERC Starting Grant Redox SHields
(715900) und das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien,
Energie und Technologie im Rahmen des Projekts »Zentrum für
Energiespeicherung« finanziert.

eBioCO2n – Stromgetriebene CO2-Konversion durch synthetische Enzymkaskaden
zur Herstellung von Spezialchemikalien
https://www.igb.fraunhofer.de/de/referenzprojekte/ebioco2n.html

Vortrag im Rahmen der Ringvorlesung und Kooperation zwischen den Queer
Studies/Kunsthochschule für Medien Köln (KHM) und GeStiK/Uni Köln

Donnerstag, 20. Januar 2022, 16 Uhr, online
Coronabedingt über Zoom
Meeting-ID: 995 8092 9172, Passwort: 931027

Im Laufe der Covid-19-Pandemie wurde das Denken in Risiken immer
dominanter. Nicht nur Infektionsrisiken, sondern auch die vermeintlichen
und tatsächlichen Risiken für Kinder durch Pandemieeindämmungsmaßnahmen
wurden viel diskutiert, oft jedoch ohne den Interessen von Kindern
selbst größere Beachtung zu schenken. Im Rahmen von Lockdowns und
Schulschließungen wiederum wurden heteronormative Familienstrukturen
zementiert. Zugleich fanden Verschwörungserzählungen, die mit der Figur
pädophiler Netzwerke auf Kinderjagd arbeiten, größeren Anklang. In der
Sexualforschung selbst hat sich bereits vor Jahren die Diagnose Pädophilie
als Rückfallrisikofaktor für Sexualverbrechen etabliert und
Risikomanagement ist ein erklärtes Therapieziel in der Behandlung
Pädophiler. Wie lässt sich aus queertheoretischer Perspektive die
Geschichte der Kategorie Pädophilie und ihrer Verknüpfungen mit
heteronormativen Familienidealen erzählen? Und welche historischen
diskursiven Aufladungen machen die Kategorie so attraktiv für gegenwärtige
Instrumentalisierungen?

Kathrin M. Kämpf ist seit 2019 künstlerisch-wissenschaftliche
Mitarbeiterin für Queer Studies an der KHM. Sie publizierte zuletzt
"Pädophilie. Eine Diskursgeschichte" im transcript Verlag.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
https://gestik.uni-koeln.de/aktuelles-1/ringvorlesung

Neue Bildgebungstechnik verbessert Diagnostik und Therapie erheblich

In ihrer Klinik für Diagnostische und Interventionelle Radiologie hat die
Universitätsmedizin Mainz heute ihren photonenzählenden
Computertomographen offiziell in Betrieb genommen. Das höchst innovative
CT-System verfügt über zwei Röntgenquellen und ein neuartiges
Detektorprinzip. Insbesondere in den klinischen Bereichen Herz- und
Gefäßbildgebung sowie in der Onkologie ermöglicht es eine wesentlich
genauere und schonendere Diagnostik sowie sicherere
Therapieentscheidungen. Zudem verbessert der photonenzählende
Computertomograph die Grundlagen für die Forschung und die Translation
ihrer Ergebnisse.

Die Universitätsmedizin Mainz hat heute in ihrer Klinik für Diagnostische
und Interventionelle Radiologie in Anwesenheit des rheinland-pfälzischen
Gesundheitsministers Clemens Hoch den aktuell innovativsten
Computertomographen in Betrieb genommen. Es handelt sich um ein Dual-
Source-Gerät mit zwei Röntgenquellen und einem neuartigen Detektorprinzip.
Der neue Computertomograph ermöglicht eine wesentlich genauere und
schonendere Diagnostik. Insbesondere in den klinischen Bereichen Herz- und
Gefäßbildgebung und in der Onkologie sind die Auswirkungen weitreichend.

Der Wissenschafts- und Gesundheitsminister des Landes Rheinland-Pfalz,
Clemens Hoch, betont: „Dieser hochmoderne Computertomograph stärkt unsere
Universitätsmedizin sowohl in der Krankenversorgung als auch in der
Forschung. Er wird nicht nur den Patientinnen und Patienten der
Universitätsmedizin Mainz in den kommenden Jahren nutzen. Er wird mit
innovativer Bildgebung auch den Forschenden dabei helfen, die medizinische
Entwicklung weiter voranzutreiben und so an der Verbesserung der
Versorgung weit über Mainz hinaus mitzuarbeiten. Diese Verbindung aus
exzellenter Versorgung und Forschung ist zentraler Gedanke der
Hochschulmedizin und die ganz besondere Stärke unseres medizinischen
Wissenschaftsstandortes Mainz.“

Die Computertomographie (CT) ist eines der wichtigsten Verfahren, um
Bilder aus dem Inneren des menschlichen Körpers zu gewinnen. Die
dreidimensionalen Aufnahmen zeigen feine Unterschiede oder Veränderungen
an Organen, Gefäßen und Knochen und helfen, Erkrankungen oder Verletzungen
zu erkennen. Vor rund fünfzig Jahren hat die Computertomographie Einzug in
die medizinische Diagnostik gehalten. Nun steht eine innovative Technik
zur Verfügung, die eine neue Ära einleitet: ein CT-Gerät mit zwei
rotierenden Röntgenquellen und einem neuartigen Detektorprinzip.

Univ.-Prof. Dr. Norbert Pfeiffer, Vorstandsvorsitzender und Medizinischer
Vorstand der Universitätsmedizin Mainz, erklärt: „Der photonenzählende
Computertomograph ist aktuell das innovativste CT-Gerät. Es war für den
Deutschen Zukunftspreis 2021 des Bundespräsidenten nominiert und wurde von
der Jury in den ‚Kreis der Besten‘ des Deutschen Zukunftspreises
aufgenommen. Dies belegt den hohen wissenschaftlich-technischen
Innovationsgrad des CT-Gerätes sowie das Potenzial, diese Leistung in
moderne medizinische Diagnostik umzusetzen. In der Universitätsmedizin
Mainz steht eines der ersten Geräte weltweit. Wir sind uns sicher, dass
die Universitätsmedizin Mainz durch dieses ausgezeichnete Gerät als Ort
der Spitzenmedizin für Patientinnen und Patienten sowie für Ärztinnen und
Ärzte noch attraktiver wird.“

Bei der neuen Detektor-Technologie werden einzelne Röntgenphotonen und
ihre Energieniveaus anders als bisher direkt und ohne Umweg registriert.
Dadurch entstehen eine deutlich verbesserte räumliche Auflösung und die
Möglichkeit, Gewebe differenzierter zu analysieren. Der neue
Computertomograph „Naeotom Alpha“ ist darüber hinaus schonender für die
Patient:innen, da mit einer um bis zu 45 Prozent geringeren Strahlendosis
gearbeitet werden kann. Weltweit sind bislang erst rund zwanzig Exemplare
dieses photonenzählenden Computertomographen im Einsatz.

Der Wissenschaftliche Vorstand der Universitätsmedizin Mainz, Univ.-Prof.
Dr. Ulrich Förstermann, ergänzt: „Das innovative CT-System stellt nicht
nur die medizinischen Diagnosen und Therapieentscheidungen auf eine
sichere und verlässlichere Basis, sondern verbessert auch die Grundlagen
für die Forschung und die Translation ihrer Ergebnisse.“

PD Dr. Christian Elsner, Kaufmännischer Vorstand der Universitätsmedizin
Mainz, freut sich über den Innovationsschub, den das Gerät für die
Universitätsmedizin darstellt: „Die Medizin lebt von Innovationen. Daher
ist es insbesondere für universitäre Einrichtungen wie der unseren sehr
wichtig, in diese zu investieren.“

„Die Detektoren der bisherigen CT-Geräte bündeln die Röntgenphotonen
unterschiedlicher Energieniveaus im Paket und wandeln das Signal in
Lichtblitze um – dies benötigt mehr Zeit und gewährt weniger und
ungenauere Einblicke in den menschlichen Körper. Mit dem neuen CT-Gerät
und seiner höchst innovativen Technik spielt die Radiologie an der
Universitätsmedizin Mainz fortan in der Champions-League der Medizinischen
Bildgebung“, erläutert Univ.-Prof. Dr. Christoph Düber, Direktor der
Klinik für Diagnostische und Interventionelle Radiologie der
Universitätsmedizin Mainz.

Die Herstellerfirma Siemens Healthineers hat den photonenzählenden
Computertomograph „Naeotom Alpha“ im November 2021 beim Nordamerikanischen
Radiologiekongress (RSNA) erstmals der Weltöffentlichkeit vorgestellt. Mit
der Universitätsmedizin Mainz verbindet das Unternehmen eine Jahrzehnte
lange Forschungs- und Entwicklungstradition in der Bildgebung.

Weitere Informationen:
Bildunterschrift (v.l.n.r.): Über die offizielle Einweihung des
photonenzählenden Computertomographen in der Universitätsmedizin Mainz
freuen sich Univ.-Prof. Dr. Norbert Pfeiffer, Vorstandsvorsitzender und
Medizinischer Vorstand der Universitätsmedizin Mainz, und Clemens Hoch,
Wissenschaftsminister des Landes Rheinland-Pfalz, sowie Univ.-Prof. Dr.
Christoph Düber, Direktor der Klinik für Diagnostische und
Interventionelle Radiologie der Universitätsmedizin Mainz.
Bildquelle: Universitätsmedizin Mainz/Peter Pulkowski