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StartseiteForschung aktuellDen Bakterien auf der Spur04.05.2016

MikroskopieDen Bakterien auf der Spur

Forscher am Leipziger Helmholtz-Institut wollen Bakterien für den Menschen arbeiten lassen. Dabei soll eine zwölf Millionen Euro teure Anlage helfen, mit der das Leben von Bakterien sichtbar gemacht werden kann. Zehn Monate nach Eröffnung der Anlage gibt es erste Erfolge.

Von Annegret Faber

HANDOUT - Produced by the National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), this highly-magnified, digitally-colorized scanning electron micrograph (SEM) reveals ultrastructural details at the site of interaction of numerous yellow-colored Middle East respiratory syndrome Coronavirus (MERS-CoV) viral particles that were on the surface of a Vero E6 cell, which had been colorized blue. MERS-CoV was identified in 2012 as the cause of respiratory illness in people. Investigations are being done to figure out the source of MERS-CoV and how it spreads. So far, there are no reports of anyone in the U.S. getting infected with MERS-CoV. Most people who got infected with MERS-CoV developed severe acute respiratory illness with symptoms of fever, cough, and shortness of breath. About half of them died. Some people were reported as having a mild respiratory illness. MERS-CoV has been shown to spread between people who are in close contact. Transmission from infected patients to healthcare personnel has also been observed. Clusters of cases in Saudi Arabia, Jordan, the UK, France, Tunisia, and Italy are being investigated. Photo: National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) 2014/dpa (ACHTUNG: Nur zur redaktionellen Verwendung im Zusammenhang mit der aktuellen Berichterstattung und nur bei Nennung: "Foto: National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) 2014/dpa"; zu: "Mann aus Region Osnabrück mit tödlichem Mers-Virus infiziert" vom (picture alliance / dpa / NiAID)
Dank der Hightech-Mikroskopie-Anlage ProVis gelingen noch schärfere Aufnahmen von Mikroorganismen und Bakterien. (picture alliance / dpa / NiAID)
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Matthias Schmidt: "So, wir betreten jetzt das Heliumionen- und Elektronenmikroskopie-Labor. Es ist ein pechschwarzer Raum."

Das Labor ist nur ein Teil von ProVis. Auf 200 Quadratmetern liegt die gesamte Anlage im Keller eines fünfgeschossigen Hauses auf dem Gelände vom Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ in Leipzig.

Schmidt: "Fensterlos, das hat damit zu tun, dass die Geräte so sensitiv sind, dass wir hier keinerlei Vibration, akustische Störung elektrischer und magnetischer Felder von außerhalb gebrauchen können."

Die Kombination verschiedener Mikroskopie-Verfahren sei der Clou der Anlage, sagt der Physiker Dr. Matthias Schmidt, während er den dunklen Raum betritt und das Licht einschaltet.

Schmidt: "Also wir haben hier zu unserer Linken das Elektronenmikroskop und auf der rechten Seite, das größere der Beiden, ist das Heliumionenmikroskop."

Das Heliumionenmikroskop ähnelt einer Maschine aus einem Science-Fiction-Film. Silberne Würfel, Stutzen, Drähte, Schrauben, Schläuche, auf einem Kubikmeter zusammengefügt, lüften die streng gehüteten Geheimnisse von Bakterien. Matthias Schmidt schaltet einen Computer an. Auf dem Bildschirm wird sichtbar, was die Maschine gerade unter die Lupe nimmt.

Shewanella-Bakterien

Schmidt: "Hier sehen wir Shewanella-Bakterien. Einen Schönheitspreis würden sie nicht gewinnen. Es ist eine etwas längliche Wurst, circa 200 Nanometer im Durchmesser, ein Mikrometer lang. Das bedeutet, wir sind in Längenskalen, die deutlich unter unser Vorstellungsvermögen gehen."

Shewanella ist ein Modellorganismus, ein Bakterium, das die Forscher stellvertretend für andere untersuchen. Sie wollen wissen, was es zum Leben braucht, was es frisst und unter welchen Bedingungen es sich gut vermehrt. Schmidt zeigt auf ein Detail des grauen Bildes von Shewanella, das die Forscher noch nicht verstanden haben.

Schmidt: "Man hat da dran kleine Strukturen an der Zellwand, also wie kleine Antennen schauen die da raus. Das sind diese Nanodrähte."

Dr. Hans-Hermann Richnow, der Leiter von ProVis sagt, mit den Nanodrähten, auch Pili-Fäden genannt, könnten die Bakterien Elektronen auf Mineralien übertragen. Das zu beweisen, da stünden er und sein Team kurz davor.

Hans Hermann Richnow: "Das Prinzip, dass dieser Organismus mit seiner Umwelt über die Pili, diese Drähte, kommunizieren kann, ist etwas Neues und diese Funktion muss noch bewiesen werden, aber wenn wir das schaffen, ist es etwas ganz Neues."

Nutzung für Schwermetall-Gewinnung?

Dass Shewanella-Bakterien prinzipiell in der Lage sind, elektrische Ladung auf Mineralien oder Metalle zu übertragen, ist schon länger bekannt. Wenn die Nanodrähte für den Ladungstransport verantwortlich sind, wäre das allerdings eine spannende neue Erkenntnis. Denn dann könnte man die Bakterien künftig vielleicht einsetzen, um seltene Erden aus alten Minenabraumhalden zu waschen, um Schwermetalle aus Abwässern zu gewinnen oder Strom in Kläranlagen zu produzieren. Um das Leben von Shewanella noch besser zu verstehen, wird sie für weitere Untersuchungen in Scheiben geschnitten, verrät Matthias Schmidt. So zerlegt, entlockt ihr ein Sekundär-Ionen-Massenspektrometer dann die letzten Geheimnisse - stellvertretend für viele andere Bakterien. Was passiert in ihrem Inneren? Wie verstoffwechselt Shewanella Nährstoffe auf atomarer Ebene? Das ist die Frage, die die Forscher umtreibt.

Schmidt: "Das Projekt hier ist so, dass man erstmal grundlegend verstehen möchte, wie der Elektronen und Protonenaustausch, durch die Zellwand stattfindet."

Hightech-Mikroskopie

Mit der Hightech-Mikroskopie-Anlage ProVis liefere man gestochen scharfe Bilder aus der Welt der Mikroorganismen, sagt Hans-Hermann Richnow. Über zehn Jahre hat er sich für den Bau und Betrieb der Anlage am Leipziger Helmholtz Zentrum eingesetzt. Und dabei vor allem Ausdauer gebraucht und eine Vision.

Richnow: "Und auch eine wichtige Fragestellung ist, dass man die Geldgeber davon überzeugen kann, dass man mit dieser Anlage etwas ganz Neues produzieren kann und damit Ergebnisse erzielen kann, die einmal für die Wissenschaft, aber auch für die Gesellschaft wichtig sind."

Wie sieht sie aus und wie funktioniert sie, die Welt der Mikroorganismen? Zehn Monate nach der Eröffnung laufen bereits 20 zum Teil vielversprechende Kooperationen mit anderen Forschungseinrichtungen. Erste Publikationen soll es noch vor dem Sommer geben.

 

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