Jenaer Chemiker spazieren durch die molekulare Landschaft

Neue Medikamente gegen Bakterien sind heute wichtiger denn je. Immer mehr Krankheitserreger erweisen sich als unempfindlich gegen bisher angewandte Arzneimittel. Um neue wirksame Therapien zu entwickeln, ist es allerdings unerlässlich, die möglichen Angriffspunkte für die Wirkstoffe auf der Oberfläche der die Infektion verursachenden Bakterienzellen zu kennen. Diesem Ziel sind Physikochemiker der Universität Jena einen entscheidenden Schritt näher gekommen.

Prof. Dr. Jürgen Popp und seine Mitarbeiterin Ute Neugebauer kombinieren dazu in Zusammenarbeit mit einer Arbeitsgruppe um Dr. Volker Deckert vom Dortmunder Institute for Analytical Sciences (ISAS) die Raman-Spektroskopie mit einem Rasterkraft-Mikroskop. Damit erhalten sie gleichzeitig chemische und räumliche Informationen über die Bakterienoberfläche mit einer Auflösung von wenigen Nanometern (Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter. Der Durchmesser eines Haares ist im Vergleich dazu etwa 50.000 Mal größer). So können die beiden Wissenschaftler untersuchen, welche chemischen Strukturen sich auf der Oberfläche befinden und wie sie angeordnet sind. Da solche Strukturen mögliche Angriffsstellen für Arzneiwirkstoffe darstellen, sind diese Informationen von großem Wert. Die Ergebnisse der Jenaer Physikochemiker sind in der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „ChemPhysChem“ erschienen.

Als Untersuchungsbeispiel diente Popp und Neugebauer der Mikroorganismus Staphylococcus epidermidis, der natürlicherweise auf unserer Haut und unseren Schleimhäuten lebt. Zum Problem wird dieser Keim für Menschen, deren Immunsystem geschwächt ist, zum Beispiel nach einer Operation. Besonders häufig treten Staphylococcus epidermidis-Infektionen an Implantaten wie künstlichen Herzklappen und Gelenken oder Herzschrittmachern auf.

Die Hülle der Bakterien stellt einen komplizierten Aufbau aus Zucker- und Eiweißmolekülen dar. Um deren Anordnung genau studieren zu können, benötigten die Jenaer Forscher keine Markierungen oder ähnliches, sondern konnten sich ganz auf die Sensitivität ihrer TERS (Tip-enhanced Raman spectroscopy; zu deutsch: Spitzen-verstärkte Raman-Spektroskopie) genannten Methode verlassen. „Noch stehen wir mit diesen Arbeiten relativ am Anfang, aber wenn wir das Verfahren weiterentwickelt haben, wird es möglich sein, quasi auf der Bakterienoberfläche spazieren zu gehen und sich die molekulare ,Landschaft' dort anzuschauen“, beschreibt Prof. Popp, der auch Direktor des Institutes für Physikalische Hochtechnologie auf dem Beutenberg ist, die weiteren Ziele des Projektes und ergänzt: „Außerdem werden wir in der Lage sein, die Wechselwirkungen der Krankheitserreger mit den Zellen des Menschen und den Wirkstoffen der Arzneimittel zu untersuchen.“

Die Raman-Spektroskopie beruht auf der Wechselwirkung von Licht und Materie: Bestrahlt man Moleküle mit Licht, so wird dieses in ganz charakteristischer Weise gestreut. Man erhält so Informationen über die Schwingungen eines Moleküls, deren Streuungsmuster eine Art Fingerabdruck liefern, der eindeutig dem Molekül zuzuordnen ist. Das Rasterkraft-Mikroskop wiederum erlaubt die mechanische Abtastung von Oberflächen. Es besteht aus einer sehr feinen Spitze auf einer Blattfeder. Diese Spitze wird über die zu untersuchende Oberfläche gezogen und dabei wird die Verzerrung der Blattfeder, die die Oberflächenstrukturen widerspiegelt, optisch mit Hilfe eines Laserstrahls registriert. Dies reicht aus, um sogar einzelne Atome abbilden zu können. Damit hat das Rasterkraft-Mikroskop neben dem Rastertunnel-Mikroskop die höchste Auflösung aller mikroskopischen Techniken.

„Wir haben diese beiden Methoden erstmals zur Untersuchung komplexer biologischer Systeme miteinander kombiniert“, erläutert Popp. Diese Verknüpfung erlaube es, die „Landschaft“ Bakterienoberfläche nicht nur auf Hügel und Täler hin zu untersuchen, sondern auch, ihre genaue chemische Zusammensetzung zu analysieren. „Wir klären damit die zwei entscheidenden Fragen -,Was' und ,Wo' – in einem Arbeitsschritt“, so Popp.

Ansprechpartner:
Dipl.-Chem. Ute Neugebauer / Prof. Dr. Jürgen Popp
Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena
Helmholtzweg 4, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 948351
Fax: 03641 / 948302
E-Mail: ute.neugebauer[at]uni-jena.de / juergen.popp[at]uni-jena.de
Originalpublikation:
Neugebauer et al, On the Way to Nanometer-Sized Information of the Bacterial Surface by Tip-Enhanced Raman Spectroscopy, ChemPhysChem 2006, 7, 1428-1430