Chemische Bildgebung: Antibiotikawirkung auf einzelne Bakterienzelle in bisher unerreichter Auflösung

Die photoinduzierte Rasterkraftmikroskopie im mittleren Infrarotbereich (PiF-IR) ist eine junge bildgebende Methode, welche die chemische Charakterisierung von Oberflächen mit einer bisher unerreichten Auflösung von unter 5 nm ermöglicht. PiF-IR schließt die Lücke zwischen hochaufgelöster Strukturaufklärung mittels Elektronenmikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie und konventioneller Infrarotspektroskopie und ist komplementär zu spitzenverstärkter Ramanspektroskopie (TERS).

Chemische Bildgebung der Bakterienoberfläche mit weniger als 5 nm Auflösung

Einem interdisziplinären Team um die Jenaer Wissenschaftlerin Dr. Daniela Täuber ist es nun gelungen, die lokale Interaktion eines Antibiotikums auf der Oberfläche individueller Bakterienzellen in einem Modellsystem aus Bacillus subtilis und Vancomycin mit einer Auflösung von wenigen Nanometern chemisch und strukturell zu erfassen. Ihre in Analytical Chemistry erschienene Arbeit „Nano-chemical cell-surface evaluation in photothermal spectroscopic imaging of antimicrobial interaction in model system Bacillus subtilis & vancomycin“ (doi:10.1021/acs.analchem.5c03502Externer Link) demonstriert das Potential der neuartigen Infrarotspektroskopie-Bildgebungsmethode für die Anwendung in der biomedizinischen Forschung. Die hohe räumliche und spektrale Auslösung von PiF-IR ermöglicht insbesondere die Visualisierung chemischer Veränderungen auf der Oberfläche von Pathogenen, die auf eine lokale Interaktion mit antibiotischen Substanzen hervorgerufen werden.

Grundlagen aus Kooperationsprojekt pintXsum

Die dafür von dem Team entwickelte Herangehensweise zur Datenauswertung stützt sich wesentlich auf Erkenntnisse zur hybriden Feldkopplung an nanostrukturierten Oberflächen aus dem Projekt „pintXsum“ (Photo-INduced Thermal eXpansion of rough SUrface Morphologies). Das Kooperationsprojekt von PD Dr. Christin David (Institut für Festkörpertheorie und Optik) und Dr. Daniela Täuber (Institut für physikalische Chemie) wurde von der FSU zur Entwicklung in den Profillinien LIGHT und LIFE gefördert. Sie kombinierten PiF-IR-Messungen an einem Polymernanopartikel mit der Modellierung seiner photothermischen Expansion. Dadurch konnten sie die häufig beobachteten anisotropen Signalverteilungen an weichen Nanostrukturen in spitzenverstärkten, photothermischen Bildgebungsmethoden auf eine hybride Feldkopplung zurückführen, siehe S. Anindo, D. Täuber, C. David: Photothermal Expansion of Nanostructures in Photo-induced Force Microscopy, erschienen im Journal of Physical Chemistry (doi:10.1021/acs.jpcc.4c08305Externer Link). Bisher war eine solche Feldkopplung im Wesentlichen für metallische Nanostrukturen bekannt.

Erfolgreiche Zusammenarbeit in LIGHT und LIFE

Auch 150 Jahre nach der Pionierarbeit von Abbe, Zeiss und Schott auf dem Gebiet der Lichtmikroskopie liefert die fruchtbare Zusammenarbeit zwischen theoretischer Physik, experimenteller Mikroskopie und biomedizinischer Anwendung in der Mikroskopie noch immer neue und grundlegende Zugänge zum biomedizinischen Erkenntnisgewinn!