Die Kraft des Lichts

Mit der Energie des Lichts lassen sich Zellen anregen und vermessen. So können nicht nur Krankheitserreger im Wasser schnell und unkompliziert nachgewiesen, sondern auch medizinische Diagnosen verbessert werden.

Menschliche Zellen werden mithilfe der Durchflusszytometrie vermessen.
Menschliche Zellen werden mithilfe der Durchflusszytometrie vermessen. © Adobe Stock / Kateryna_Kon

Wenn der Frühling kommt, fühlen sich viele Menschen wieder vitaler und die Natur erwacht zu neuem Leben. Das liegt vor allem an der höheren Lichtintensität als im Winter. Die Energie des Lichts aktiviert selbst die kleinsten Einheiten des Lebens, die einzelne Zelle.

Dank dieser Eigenschaft lassen sich auch Bakterien unter der Einwirkung von Licht anregen. Das konnten sich die Forschenden des vom Bundesforschungsministerium geförderten Eurostars-Projekts „Legiotection“ zunutze machen. Projektpartner aus Deutschland und der Schweiz haben gemeinsam ein Analysesystem entwickelt, das den Befall von Trink- und Nutzwasser mit Legionellen nachweisen kann – also mit jenen Wasserbakterien, die bei Menschen die Legionärskrankheit, eine schwere Form der Lungenentzündung, auslösen können.

Die Entwicklung beruht auf der sogenannten Durchflusszytometrie, einem Messverfahren zur Analyse von kleinsten Teilchen in Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Bakterien, Zellen und in einigen Fällen sogar Viren. Im Legiotection-Projekt wurden Wasserproben mit fluoreszierenden Markern versetzt. Aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit der Legionellen können diese Marker an die Bakterien andocken. Fließt die Wasserprobe anschließend an einem Laser – also an einer starken Lichtquelle – vorbei, so regt das Licht die Bakterien an und bringt sie zum Leuchten. Die Lichtsignale werden daraufhin von Silizium-Photomultipliern, kurz SiPM, erkannt. Diese hochempfindlichen optischen Sensoren wandeln das abstrahlende Licht in elektrische Signale um. Dadurch können auch einzelne Bakterien automatisch erkannt und näher bestimmt werden.

Kompakte Detektoren können vielseitige Entdeckungsaufträge übernehmen

„Wir haben gezeigt, dass unsere Detektortechnologie vergleichbare Ergebnisse liefert, wie konventionelle optische Sensoren, allerdings mit wesentlichen Vorteilen“, sagt Dr. Thomas Ganka. Er und sein Kollegium waren im Legiotection-Projekt für die Entwicklung des optischen Detektionsmoduls zuständig. „SiPM sind sogar viel kleiner als eine 1 Cent-Münze. Das Detektionsmodul konnte daher besonders kompakt in das Gesamtsystem integriert werden. Letzteres liefert die Ergebnisse aufgrund der automatisierten Konzentrierung und Analyse der Proben bereits nach ungefähr zwei Stunden.“ Zum Vergleich: Bei gängigen Verfahren müssen die Wasserproben zunächst in ein Labor gebracht und die gesuchten Bakterien aufwendig angezüchtet werden, damit sie sicher nachgewiesen werden können. Bis das Ergebnis vorliegt, vergehen oft mehrere Tage. Mit der Legiotection-Entwicklung werden dagegen unkompliziertere und kostengünstigere Vor-Ort-Tests möglich, deren Ergebnisse viel schneller vorliegen.

Darüber hinaus eignen sich die Silizium-Photomultiplier auch für weitere Anwendungen: Als hochempfindliche optische Sensoren erfassen sie selbst das schwächste Licht noch sehr präzise. Damit sind sie vielseitig einsetzbar: Sie können zum Beispiel bei der bildgebenden Diagnose in der Medizin eingesetzt werden, Fahrzeuge bei Grenzkontrollen durchleuchten und bei der Umweltbeobachtung nützlich sein. Gerade im medizinischen Bereich war das Eurostars-Projekt ein wichtiger Türöffner zu einem vielversprechenden Markt. So arbeiten Forschende derzeit daran, menschliche Zellen künftig noch genauer vermessen zu können, als das bisher möglich ist, und wirken so gezielt daran mit, medizinische Diagnoseverfahren zu verbessern.