Winzigen "Einzeltätern" auf der Spur

Erfolgreiche Kooperation von Jenaer Wissenschaftlern mit der Industrie. Neues Verfahren zur raschen Erkennung von Verunreinigungen in Reinräumen.

In einer erfolgreichen Zusammenarbeit mit der Industrie haben Prof. Dr. Jürgen Popp und seine Mitarbeiter vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena die Grundlagen für eine neuartige Technologie erforscht und umgesetzt, die gefährliche Keime in der Luft oder im Wasser vor Ort und ohne Zeitverlust erkennen kann. In Kooperation mit der Universität Freiburg, der Berliner Schering AG und den Firmen Kayser-Threde GmbH (München) und rapID Particle Systems GmbH (Berlin) entstand ein Gerät, das Luftverunreinigungen schnell und eindeutig identifizieren kann.

Verschiedene Bakterienarten rasch unterscheiden

Die wissenschaftlichen Grundlagen für diese technische Innovation wurde von den Jenaer Forschern jetzt in der neuesten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Applied Enviromental Microbiology“ veröffentlicht. Darin beschreiben die Physikochemiker eine spezielle Spektroskopiemethode zur Unterscheidung und Identifizierung einzelner Bakterienzellen, die z. B. als Verunreinigung in Reinräumen in der Lebensmittel- oder Medikamentenproduktion großen Schaden anrichten können. „Wir sind mit dieser Methode und deren computergestützter Auswertung in der Lage, verschiedene Bakterienarten mit einer Trefferquoten von bis zu 93 Prozent zu unterscheiden“, berichtet Dr. Petra Rösch aus der Arbeitsgruppe von Prof. Popp.

Bakterien sind allgegenwärtig – auf unserer Haut, auf Oberflächen, im Boden, in Lebensmitteln und in der Raumluft. Da sie sehr klein sind, nehmen wir sie in der Regel nicht wahr – es sei denn, sie lösen zum Beispiel bei Lebensmitteln einen Fäulnis-Prozess aus oder führen beim Menschen zu einer Krankheit wie etwa einer Blasen- oder Lungenentzündung. Während wir also im Großen und Ganzen mit den Winzlingen leben können, gibt es Bedingungen, in denen schon die Anwesenheit mikrobieller „Einzeltäter“, also einzelner Bakterienzellen fatal ist, zum Beispiel in Operationssälen oder Reinräumen. Dort darf die Luft keinerlei Verunreinigungen enthalten, weder Staub noch Keime wie Bakterien oder Pilzsporen. Dennoch können solche Verschmutzungen auftreten – so gelangen durch Abrieb feinste Metall- oder Kunststoffteilchen in die Luft oder Mitarbeiter tragen trotz spezieller Kleidung Haar- oder Hautpartikel in den Raum. Diese schnell und eindeutig zu identifizieren ist von entscheidender Bedeutung: Nur so kann die Quelle der Verunreinigung zeitnah gefunden und das Problem rasch gelöst werden. Ein teurer Produktionsausfall kann so vermieden werden.

Fingerabdruck mit Raman-Spektroskopie

„Bisher konnte man Bakterien meist nur nach einer Kultivierung auf Nährböden unterscheiden“, erläutert Prof. Popp. „Das nahm mindesten einen, in der Regel aber mehrere Tage in Anspruch“. In seiner Arbeitsgruppe wird dagegen die nach einem indischen Physiker benannte Raman-Spektroskopie verwendet. Sie 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. Da jede Bakterienoberfläche eine ganz spezielle Zusammensetzung hat, kann man mit Raman-Spektroskopie auch „Fingerabdrücke“ der Mikroben erhalten. „Die Unterschiede sind allerdings so gering, dass die Spektren nicht mit bloßem Auge ausgewertet werden können“, betont Dr. Rösch.

Datenbank mit „Täterprofilen“

Hier kommen die Wissenschaftler vom Lehrstuhl für Mustererkennung und Bildverarbeitung der Uni Freiburg ins Spiel. Sie haben eine computergestützte Rechenmethode, die normalerweise dazu verwendet wird, von Sicherheitskameras aufgezeichnete Fotos zu analysieren, an die speziellen Anforderungen der Spektrenauswertung angepasst. Mit ihrer Hilfe können nach den Prinzipien der Mustererkennung die einzelnen Spektren einer Bakterienart zugewiesen werden. „Allerdings müssen wir dazu den Computer erst einmal mit einer großen Menge Daten füttern, damit er Vergleichsmöglichkeiten hat“, erläutert Dr. Rösch. „Denn die Bakterien können sich geringfügig verändern, je nachdem, auf welchen Nährböden und bei welcher Temperatur sie wachsen.“ Langfristiges Ziel der Arbeiten ist der Aufbau einer Datenbank, in die Spektren möglichst vieler unter unterschiedlichen Bedingungen gewachsener Organismen eingehen. „Dann werden Probennahme, Spektroskopievorgang und Auswertung direkt vor Ort stattfinden können“, betont Rösch.

Testung geplant

Ab kommenden Frühjahr wird die Berliner Schering AG die Methode in ihren Reinräumen testen. Das entsprechende Gerät haben die Firmen Kayser-Threde GmbH (München) und rapID Particle Systems GmbH, Berlin, gebaut und in enger Abstimmung mit den Wissenschaftlern in Jena und Freiburg weiterentwickelt. „Dies ist ein Beispiel für eine äußerst gelungene Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie“, freut sich Prof. Dr. Jürgen Popp, „und dafür, wie anwendungsorientiert Grundlagenforschung sein kann.“ Das Gerät wird ab morgen abend auf dem Symposium „Struktur und Dymanik biologischer Zellen mit optischen Methoden auf der Spur“ auf dem Campus am Ernst-Abbe-Platz der Öffentlichkeit vorgestellt.

Die Untersuchungen fanden im Rahmen des Projektes „OMIB“ („Online Monitoring und Identifizierung von Bioaerosolen“) statt, das Teil des bundesweiten Forschungsschwerpunktes Biophotonik ist. In diesem vom Bundesforschungsministerium (BMBF) und dem Verband Deutscher Ingenieure (VDI) geförderten Schwerpunkt arbeiten zahlreiche Wissenschaftler aus Forschung und Industrie an innovativen optischen Technologien zur Lösung aktueller Probleme aus Medizin, Biotechnologie und Umweltwissenschaften.

Kontakt:
Dr. Petra Rösch und Prof. Dr. Jürgen Popp
Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena
Tel.: 03641/ 948381
Fax: 03641/ 948302
E-Mail: juergen.popp@uni-jena.de