ArchivDeutsches Ärzteblatt15/2013Lasertechnologie: Bakterien sichtbar machen

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Lasertechnologie: Bakterien sichtbar machen

Dtsch Arztebl 2013; 110(15): A-731 / B-639 / C-640

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Wissenschaftler vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg haben eine neuartige optische Falle konstruiert, die mittels eines Lasers sehr kleine, längliche Bakterien festhalten und abscannen kann. So haben die Physiker Prof. Dr. Alexander Rohrbach und Matthias Koch eine Art Lichtschlauch erzeugt, in dem die agilen Einzeller gefangen werden.

Bisher war es mit optischen Pinzetten nur möglich, Bakterien an einem Punkt ihres Körpers festzuhalten, ohne ihre Lage verändern zu können. Die Freiburger Forscher konnten nun durch den sich schnell bewegenden fokussierten Laser gleichmäßig verteilte Kräfte auf das Bakterium ausüben, das seine komplexe Form fortlaufend ändert.

Gleichzeitig gelang es, durch die Messung von kleinsten Ablenkungen der Lichtteilchen am gefangenen Bakterium seine Bewegungen in sehr schnellen, dreidimensionalen Bildfolgen aufzuzeichnen. Dies berichtet das Team in der Online-Ausgabe von „Nature Photonics“.*

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In ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftler sogenannte Spiroplasmen. Diese spiralförmigen Bakterien sind mit 200 Nanometern Durchmesser nur so dick wie circa 1 000 Atome. Da sie keine feste Zellwand besitzen, können sie sich rasant verformen und dadurch fortbewegen. Herkömmliche Lichtmikroskope können diese Bakterien aufgrund ihrer geringen Größe und schnellen Bewegungen nicht ausreichend gut abbilden. Mit der neuen optischen Falle konnten die Biophysiker das Bakterium mit Lichtkräften über seine ganze Länge festhalten und ausrichten.

Eine Eigenschaft von Laserlicht ist die Fähigkeit, dass sich überlagernde Lichtteilchen in ihrer Helligkeit erhöhen oder auslöschen können. Wenn Licht auf das Bakterium trifft und von ihm abgelenkt wird, überlagert es sich mit nichtabgelenktem Licht und wird verstärkt. Dadurch können dreidimensionale Aufnahmen nicht nur mit hohem Kontrast, sondern auch mit erhöhter Auflösung erzeugt werden. Somit ist es möglich, bis zu 1 000 dreidimensionale Aufnahmen in der Sekunde zu machen und die schnellen Bewegungen des Bakteriums zu erfassen, die die Forscher in einem Film festgehalten haben. „Dies ist physikalisch faszinierend, da die Bewegungen der Bakterien mit extrem kleinen Energieveränderungen verbunden sind, die normalerweise kaum zu messen sind“, erläuterte Rohrbach, der auch Mitglied des Exzellenzclusters BIOSS, des Zentrums für Biologische Signalstudien der Universität Freiburg, ist. „Das biologisch Reizvolle sind die Signale, die das Bakterium durch seine Formveränderungen nach außen trägt, weil es damit Hinweise auf molekulare Vorgänge in seinem Inneren gibt – beispielsweise als Reaktion auf Stresszustände, in die das Bakterium versetzt wird.“

Mit dieser Methode wollen die Forscher künftig das Verhalten und die Zellmechanik von weiteren Bakterien untersuchen, die keine Zellwand besitzen und daher nur schwer mit Antibiotika bekämpft werden können. Diese Studien könnten helfen, bakterielle Infektionskrankheiten besser zu verstehen.

Informationen: Alexander Rohrbach, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK), Albert-Ludwigs-Universität Freiburg; rohrbach@ imtek.de EB

*Koch M, Rohrbach A: Object-adapted optical trapping and shape-tracking of energy-switching helical bacteria. Nature Photonics, 2012. Publikation: http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2012.232

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