Biophotonik & Analytik: Bakterien

Warum Bakterien?

Bakterien bilden eine der größten Domänen prokaryotischen Lebens und sind - zusammen mit ihren entfernten Verwandten, den Archaeen - mit die ältesten Lebensformen auf der Erde. Bakterien, entweder als einzelne Zellen oder vergesellschaftet in Biofilmen, sind überall. Sie leben in der Erde und im Wasser, schweben in der Luft und besiedeln selbst extreme Orte wie heiße Quellen, Höhlenkristalle, Gestein in zwei Kilometern Tiefe, Lagerstätten radioaktiver Abfälle, und uns. Tatsächlich leben in unseren Körpern etwa zehn mal mehr Bakterienzellen als menschliche Zellen.

Und Bakterienverwandtschaften?

Um Bakterien verstehen zu können, ist nicht nur ihre Identifikation wichtig, sondern auch wie sie miteinander verwandt sind. Aber bakterielle Verwandtschaftsbestimmung ist ein komplizierter, zeitaufwändiger, labor-intensiver und die Proben zerstörender Prozess. Durch Zunutzemachen einer spezifischen Molekülresonanz im wichtigen Stoffwechselprotein Zytochrom-c ist es möglich, dies nicht-invasiv und optisch mit konfokaler Raman Mikroskopie bei 532 nm Anregung zu erledigen, so dass einzelne Bakterien in ihrer natürlichen Umgebung (solange diese zugänglich ist) untersucht werden können.

Warum Zytochrome?

Zytochrome sind allgegenwärtige Häm-Proteine, die in den Zellen der meisten Lebensformen auf der Erde als "Elektronen-Shuttles" fungieren. Sie bestehenn aus einem zentralen Häm-Molekül, das von einer Proteinmatrix umgeben ist. Damit das Protein seine Funktion erfüllen kann, darf das Häm sich nicht verändern, d.h. das Häm ist evolutionär stabil. Die das Häm umgebene Proteinhülle hingegen kann sich evolutionär verändern ohne ihre Funktion einzubüßen, und gerade Bakterien, die viele spezielle Zytochrome für die verschiedenen Prozesse mit Elektronentransport in ihrem Inneren bilden, verändern diese Proteinhülle deutlich, so dass diese Proteinhülle ein guter evolutionärer Marker für spezifische Bakterienstämme ist.

Bakterienverwandtschaften optisch bestimmen

Konfokale Raman Mikroskopie mit einer auf eine Häm-c Molekülresonanz abgestimmten Anregungswellenlänge kann dazu benutzt werden, gezielt die Ramanspektren der in einem lebenden Bakterium enthaltenen Zytochrome aufzunehmen. Diese Ramanspektren können dann mittels Hierarchische Cluster Analyse gemäß ihrer relativen Ähnlichkeit sortiert werden, so dass die relative Ähnlichkeit der Zytochrome der jeweiligen Bakterien, und damit ihre evolutionäre Ähnlichkeit, d.h. ihr relativer Verschwandtschaftsgrad, bestimmt werden können.

In einem "Proof of Concept"-Experiment haben wir den phylogenetischen Abstand von vier verschiedenen Bakterienstämmen mit bekannter Phylogenie mittels konfokaler Ramanmikroskopie bestimmt, und haben jetzt Mittel beantragt, um die verbleibenden Fragen hinsichtlich der Korrelation mit den etablierten Phylogenieverfahren, der phylogenetischen Bandbreite unseres Verfahren, und ihrer Anwendbarkeit gerade in komplexen Umweltproben (Biofilme) zu beantworten und schlussendlich Biofilmbildung und Habitatbildung im Biofilm direkt beobachten zu können.