Was Farben über Leben und Tod verraten
Physikochemiker der Universität Jena entwickeln neues Verfahren zur Identifikation von Bakterien
Es wimmelt nur so vor winzigen Partikeln. Einige bewegen sich, andere nicht. Einige sind punktförmig, andere sehen wie kleine Stäbchen aus. Laien sehen beim Blick durch ein Mikroskop häufig nur ein undefinierbares Wirrwarr. Für Mediziner oder Nahrungsmittelkontrolleure ist dagegen von höchster Bedeutung, die Partikel exakt zu bestimmen. "Oft spielt der Faktor Zeit dabei eine entscheidende Rolle", weiß Prof. Dr. Jürgen Popp von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Seine Arbeitsgruppe hat jetzt ein Verfahren entwickelt, mit dem Mikroorganismen schnell und zuverlässig identifiziert werden können.
"In vielen Proben kommen neben biotischen Partikeln auch nicht-biotische wie Staub oder andere Verunreinigungen vor", erklärt Popp. "Die können mit unserer Methode problemlos voneinander unterschieden werden." Durch Fluoreszenzanregung sei dies zwar schon möglich gewesen, jedoch habe sich das Verfahren in der Praxis mit Realproben eher als problematisch dargestellt.
Die Jenaer Arbeitsgruppe vom Institut für Physikalische Chemie verwendet die sogenannte Raman-Spektroskopie, bei der die Probe über einen Laser mit monochromatischem Licht bestrahlt wird. Anschließend können anhand des austretenden Frequenzspektrums, dem "Fingerabdruck" der Zellen, Aussagen über die Zusammensetzung der Probe gemacht werden. Die Wissenschaftler um Prof. Popp verwenden zusätzlich ein Mikroskop. "Diese Kombination macht eine räumliche Auflösung bis in den Einzel-Zell-Bereich möglich." Potenzielle Krankheitserreger können so bereits vor einer explosionsartigen Vermehrung einzeln identifiziert und frühzeitig bekämpft werden.
Dabei sind für Mediziner vornehmlich die lebenden Zellen von Bedeutung. "Eine tote Zelle stellt in der Regel keine unmittelbare Gefahr für den Organismus mehr dar", erläutert Prof. Popp das untergeordnete Interesse daran. "Wir haben eine Methode entwickelt, mit der die toten Zellen direkt als solche identifiziert werden können", sagt der Jenaer Chemiker. "Das spart wertvolle Analysezeit, denn diese Zellen müssen zunächst nicht weiter untersucht werden."
Die Wissenschaftler nutzen den grün fluoreszierenden Farbstoff SYTO 9 und das rot fluoreszierende Propidium-Iodid (PI), die beide in einem sogenannten Färbe-Kit vorhanden sind. Mit ihm werden die Proben behandelt. Das positiv geladene PI kann nur in tote Zellen eindringen, da es die Zellmembranen lebender Zellen wegen ihres positiven Zellpotenzials nicht passieren kann. Das neutrale SYTO 9, das in beide Zelltypen eindringen kann, wird durch das PI in den toten Zellen unterdrückt. Das hat zur Folge, dass die toten Zellen rot fluoreszieren, während die lebenden Bakterien grün leuchten. Da beide Farben nur in Verbindung mit DNA wirken, leuchten abiotische Partikel nicht. "Durch die schnelle Differenzierung können lebende Zellen zeitnah einer gezielten Analyse zugeführt werden", nennt Prof. Popp den Vorteil der neuen Methode.
Neben der Reduzierung der Messzeiten, die besonders in der Nahrungsmittelanalyse oder bei Blutuntersuchungen von Bedeutung ist, nutzen die Jenaer Wissenschaftler ihre Entwicklung zur Identifikation unbekannter Bakterienstämme. Dafür haben sie die Raman-Spektren verschiedener Arten untersucht und eine Datensammlung angelegt, die unter anderem wichtige Hinweise auf Alter, Nährmedium und Wachstumstemperatur enthält. "Wir hoffen, damit eine Basis für weitere Analysen zu schaffen", erläutert der Professor für Physikalische Chemie der Universität Jena, der das Projekt in Kooperation mit einem Unternehmen bereits für die praktische Anwendung weiterentwickelt hat. "Das ist ein wichtiger Schritt in Richtung eines automatisierten Prozesses zur Identifizierung von Mikroorganismen."
Originalveröffentlichung: Krause, M., Rösch, P., Radt, B., Popp, J.; "Localizing and Identifying Living Bacteria in an Abiotic Environment by a Combination of Raman and Fluorescence Microscopy"; Analytical Chemistry 2008, Vol. 80, Nr. 22
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