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 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.
Den Artikel finden Sie unter:
https://www.leibniz-ipht.de/de/raman-mikrospektroskopie-fuer-die-mikrobiologie/
Quelle: Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V. IPHT (01/2022)
Publikation: Lee, K.S., Landry, Z., Pereira, F.C. et al. Raman microspectroscopy for microbiology. Nat Rev Methods Primers 1, 80 (2021). https://doi.org/10.1038/s43586-021-00075-6 |