Raman-Mikrospektroskopie für die Mikrobiologie

Die Raman-Mikrospektroskopie ist eine schnelle und nichtinvasive Technologie, um die chemische Zusammensetzung lebender Mikroorganismen nahezu in Echtzeit zu bestimmen. Eine Einführung in die Methodik und das Potenzial für die Mikrobiologie wurde kürzlich unter Leitung von Prof. Jürgen Popp vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien in „Nature Reviews Methods Primer“ veröffentlicht.

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.