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Angewandte Biospektroskopie und Bioassays
Ein wesentlicher Fokus der Arbeitsgruppe Angewandte Biospektroskopie und Bioassays liegt darauf, die Applikation optischer Detektionsmethoden im Hinblick auf relevante Anwendungsfelder aus den Lebenswissenschaften und der Medizin voranzutreiben, zu standardisieren und nicht zuletzt benutzerfreundlicher zu gestalten. Eine der genutzten Detektionsmethoden ist die Raman-Spektroskopie, da sie erlaubt hochspezifische Informationen bezüglich der molekularen Zusammensetzung diverser biologischer Proben zu erlangen. So wird beispielweise die Charakterisierung zellulärer Phänotypen realisiert, aber auch in-vitro-Studien mit Wirkstoffen durchgeführt. Da die Raman-Spektroskopie in der Regel zerstörungsfrei arbeitet, ist die Anwendung von komplementären Methoden wie zum Beispiel PCR (Polymerase Chain Reaction) oder NGS (Next Generation Sequencing) unkompliziert möglich, so dass umfassende Informationen zu den Proben gewonnen werden können.
Durch die (parallele) Entwicklung maßgeschneiderter Probenvorbereitungsstrategien für unterschiedliche Fragestellungen, wird das Potential der genutzten Detektionsmethoden voll ausgeschöpft. Die Implementierung solcher Strategien in die Prozesskette bzw. Analysekette erlaubt es, Proben komplexer Zusammensetzung zu adressieren und mit kleinsten Volumina zu arbeiten. Durch die Automatisierung von Prozessschritten und der Einführung von Qualitätsstandards und geeigneter Referenzen, werden Assays mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit etabliert.
Für die Entwicklung neuartiger Probenvorbereitungsstrategien werden in der Arbeitsgruppe verschiedene Ansätze zur Oberflächenmodifizierung erforscht. Ziel hierbei ist die Generierung funktioneller Grenzflächen (Interfaces), welche zum Beispiel die gezielte Anreicherung von Analyten oder Zellen erlauben. Durch den Einsatz von oberflächensensitiven Methoden kann nicht nur die Qualität der Funktionalisierung überprüft, sondern auch Wechselwirkungen zwischen Fängermolekülen/Erkennungselementen und Analyten untersucht werden. Damit spielen diese Aktivitäten wiederum eine Schlüsselrolle für die Entwicklung von innovativen Probenvorbereitungsstrategien.
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Prinzip der Antibiotika-Suszeptibilitätstestung mittels Raman-Spektroskopie. Durch Dielektrophorese werden die Bakterien im Zentrum des Chips angereichert (a) und anschließend ihr Raman-Spektrum detektiert (b). Anhand des Raman-Spektrum kann ermittelt werden, ob ein Bakterium durch ein bestimmtes Antibiotikum im Wachstum gehemmt wird (c).
In klinischen Studien wird das Potential der Raman-Spektroskopie als Diagnostikmethode erforscht. Die Abbildung zeigt ein Falschfarbenbild unterschiedlicher Typen weißer Blutkörperchen (Leukozyten), welches anhand charakteristischer Raman-Banden generiert wurde. Durch Bestimmung der Anzahl und des Verhältnisses bestimmter Leukozytentypen können Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand des Patienten gezogen werden.
Magnetpartikel funktionalisiert mit einem Fluoreszenz-gelabelten ACE2-Rezeptor (rot) auf deren Oberfläche fluoreszierende SARS-CoV-2-Pseudoviren (grün) angereichert wurden. Zusammenarbeit mit Dr. Ziliang Zhao aus der Abteilung Biophysikalische Bildgebung sowie Dr. Stefanie Reuter und Prof. Dr. Mrowka vom Universitätsklinikum Jena.
Tropfenbasierte Assays ermöglichen eine schnelle und sensitive Detektion von Bakterien. Über chromo- oder fluorogene Substrate können unterschiedliche Phänotypen differenziert werden. Das Bild zeigt E. coli Zellen, die mit Hilfe eines Tropfenassays vereinzelt wurden. In den Tropfen mit E. coli (rötliche Färbung) kommt ein Farbumschlag zustande, da die Bakterien ein Enzym enthalten, welches die Umwandlung des Farbstoffes katalysiert.
Forschungsthemen
- spektroskopische Charakterisierung zellulärer Phänotypen (z.B.: In-vitro-Interaktions-Assays
- Entwicklung Raman-basierter Zell-Diagnostikverfahren
- Chip- und Partikel-basierte Probenvorbereitungsstrategien
- Erforschung von Strategien zur Anreicherung von intakten Zellen
- Erforschung von Methoden zur Oberflächenfunktionalisierung und -charakterisierung
Anwendungsbereiche
- Identifizierung neuartiger Targets für die Diagnostik von Infektionskrankheiten
- Anreicherung von Viren mit magnetischen Beads für die nachfolgende Raman-spektroskopische Untersuchung
- Reversible Bindung von Bakterien an magnetische Beads für die Trennung von Mischkulturen
- Biomarker-Detektion mit Interferenz-verstärkter Raman-Spektroskopie
- phänotypische Antibiotika-Resistenztestung
Auf der Abbildung: Tropfenbasierte Assays ermöglichen eine schnelle und sensitive Detektion von Bakterien. Über chromo- oder fluorogene Substrate können unterschiedliche Phänotypen differenziert werden. Das Bild zeigt E. coli Zellen, die mit Hilfe eines Tropfenassays vereinzelt wurden. In den Tropfen mit E. coli (rötliche Färbung) kommt ein Farbumschlag zustande, da die Bakterien ein Enzym enthalten, welches die Umwandlung des Farbstoffes katalysiert.