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Biologische Pore auf einem Chip misst Molekülbeschaffenheit

Geräte von der Dimension eines Zimmers waren bisher nötig, um die Größe einzelner Einheiten von Polymeren zu bestimmen. Die Forscher Prof. Dr. Jan Behrends und Dr. Gerhard Baaken von der Universität Freiburg haben einen fingerkuppengroßen Chip entwickelt, auf dem eine biologische Pore von einigen wenigen Nanometern Durchmesser als Fühler für die Größe von Molekülen dient. Die Verschmelzung von biologischen und mikrosystemtechnischen Komponenten war in der technischen Umsetzung eine Kunst für sich. Inzwischen ist das System nicht nur genauso sensibel wie eine Chromatografieanlage, sondern auch handlicher und billiger. In Zukunft könnten Wissenschaftler damit vielleicht sogar Gene sequenzieren und andere Molekülgruppen untersuchen.

Das Prinzip eines Chips mit einer biologischen Nanopore, mit deren Hilfe sich die Kettenlänge eines Polymermoleküls bestimmen lässt. © Dr. Gerhard Baaken

Cremes und Lotionen würden ohne Polyethylenglykol (PEG) auseinanderfallen, in Tabletten sorgt das kettenartig aufgebaute Makromolekül als Wirkstoffträger für eine gleichmäßige Abgabe von Medikamenten. Hunderte von Tonnen an unterschiedlichen Polymeren werden weltweit im Jahr hergestellt. Dabei ist es für viele Anwendungen wie etwa Pharmazeutika wichtig, die Produkte der Herstellungsprozesse in ihrer Kettenlänge und Massenverteilung genau zu kontrollieren. Verfahren auf Basis der Flüssig- oder Gaschromatografie waren bisher unabdingbar, um die Größe und Abfolge der einzelnen Kettenglieder in einem Polymer zu bestimmen. Aber die nötigen Geräte sind teuer und füllen meistens ganze Räume. „Für Moleküle, die von der Industrie besonders oft getestet werden müssen, wären Verfahren gut, die handlich, kostengünstig und genau sind“, sagt Prof. Dr. Jan Behrends vom Institut für Physiologie an der Universität Freiburg. Behrends hat zusammen mit dem Labor für Chemie und Physik von Grenzflächen von Prof. Dr. Jürgen Rühe am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) Freiburg Biologie und Mikrosystemtechnik verschmolzen. Das Ergebnis ist ein Chip von der Größe einer Fingerkuppe, auf dem die Forscher biologische Poren als Messfühler für die Molekülgröße aufgebracht und mit einem System aus Mikroelektroden kombiniert haben.

Eine Fundgrube mit technischem Potenzial

Biologische Poren sind Kanalproteine, die normalerweise in jeder Zelle vorkommen und Ionen oder andere Moleküle über die Membran lotsen. Vor allem in Bakterien gibt es eine große Vielfalt dieser Bausteine, die unterschiedliche Porendurchmesser und andere molekulare Eigenschaften aufweisen. Eine Fundgrube für Forscher, die in der Lage sind, das Potenzial technisch umzusetzen. Der Chip, den Behrends und Rühes Mitarbeiter Dr. Gerhard Baaken entwickelt haben, ist ein Glasplättchen, auf dem sich auf einer Fläche von einem Quadratmillimeter sechzehn Vertiefungen befinden, sogenannte Töpfchen. Über jedes Töpfchen ist eine winzige künstliche Zellmembran gespannt, in der ein Molekül alpha-Hämolysin aus Staphylokokken-Bakterien sitzt. Das alpha-Hämolysin dient normalerweise dazu die roten Blutkörperchen von infizierten Organismen zu zerstören. Gerät ein Polymer in ein solches Kanalprotein, dann wird dieses für den Bruchteil einer Sekunde teilweise verstopft. Weil sich hierdurch die Leitfähigkeit der Membran für Ionen verändert, können die Forscher mit extra hierfür entwickelten Mikroelektroden die Veränderung des Stromflusses im System messen. „Unser Messverfahren ist so sensibel, dass wir vom Stromfluss auf die Anzahl der Kettenglieder eines Polymers rückschließen können, das gerade in der Pore feststeckt“, sagt Baaken.

Das Ergebnis jahrelanger Forschung: Dieser Chip kombiniert biologische und mikrosystematische Komponenten. Die biologischen Poren sind nanometerklein und damit fürs bloße Auge nicht sichtbar. © Dr. Gerhard Baaken

Das, was sich in der Theorie einfach anhört, ist in der Entwicklung allerdings keineswegs banal gewesen. „Vor allem die Arbeit an den technischen Aspekten war eine Kunst für sich“, sagt Behrends. Der Physiologe arbeitet schon seit mehr als zehn Jahren an der technischen Umsetzung einer Verschmelzung von Biologie und Technik und konnte an der Ludwig-Maximilians-Universität in München etwa die Patch-Clamp-Technik auf einen planaren Chip übertragen. Es war es ein Glücksfall für Behrends nach seinem Wechsel nach Freiburg auf den IMTEK-Oberflächenchemiker Rühe zu treffen, der die Entwicklung durch seine Offenheit und sein fachliches Know-how maßgeblich gefördert hat. Vor allem aber sei die Etablierung der Technologie eine Leistung von Baaken gewesen, der eine beispielhafte Personifizierung der modernen interdisziplinären Forschung darstelle, so Behrends. Der Mikrosystemtechniker Baaken ist tatsächlich seit drei Jahren intellektuell, aber auch physisch, zwischen dem Mikrosystemtechnik-Labor am IMTEK von Rühe und dem Physiologie-Labor von Behrends unterwegs. Vor allem die Stabilität der Silberelektroden in der Chipmatrix war eine Herausforderung. „Damit eine Elektrode nicht mit der Zeit polarisiert und instabil wird, sind eine hohe Dichte des Materials und eine vergrößerte Oberfläche entscheidend“, sagt Baaken. „Die Kunst ist es gewesen, eine Oberfläche mit nanoskopisch kleinen Poren herzustellen, und das Verfahren auch noch reproduzierbar zu gestalten.“

„Bedside“-Diagnostik und vieles mehr

Noch werden die Messungen im Labor mit einem Prototyp durchgeführt, aber bald könnten die Nanoporen auf dem Mikrochip in Serie gehen und von der Industrie sogar in automatisierten Verfahren eingesetzt werden. © Dr. Gerhard Baaken
Heute haben die Forscher um Behrends, Rühe und Baaken im Reinraum-Labor am IMTEK einen seriellen Herstellungsprozess etabliert, der kostengünstig und schnell ist. Der Prototyp des Chips soll jetzt für eine industrielle Nutzung weiterentwickelt werden. Auch in der Biomedizin sehen die Forscher ein enormes Anwendungspotenzial. So könnte es irgendwann möglich sein, kleine RNAs im Serum von Patienten zu identifizieren, die Frühmarker für bestimmte Krebsarten oder andere Erkrankungen darstellen, und das auch mobil, gewissermassen „bedside“. Durch die Verwendung von Antikörpern gegen zum Beispiel Kokain und andere Drogen oder Medikamente wären handliche Doping- oder Drogentests möglich. Und Molekularbiologen sehen bereits den Heiligen Gral am Horizont: Nicht nur die markerfreie Analyse der Basenabfolge ganzer unbekannter DNA-Stränge, sondern auch die kontrollierte Neusynthese von maßgeschneiderten Poren für unterschiedlichste Anwendungen wie zum Beispiel die Proteinanalyse könnten möglich werden. Für Forscher, die gezielt in die biologischen Abläufe in Zellen eingreifen wollen, wäre das eine Revolution. Die Umsetzung dieser Visionen ist bisher freilich nur als heller Streif am Horizont zu erkennen.

Eines der konkreteren Ziele von Behrends und Baaken ist allerdings die Ausgründung einer Firma aus der Universität, die sich auf die Vermarktung, den Vertrieb und die Weiterentwicklung der Technologie konzentrieren soll. Ein weiteres Ziel ist es, die Technologie so weit zu optimieren, dass eine Automatisierung der Messverfahren möglich wird. Damit soll es der Industrie irgendwann möglich werden, Hochdurchsatzmessungen durchzuführen. „Das schöne an unserer Chip-Technologie ist, dass eine Erhöhung der Anzahl von Ableitpositionen auf kleinstem Raum jederzeit möglich ist“, sagt Baaken. „Denkbar sind bis zu Tausend Messpunkte pro Quadratzentimeter, und dahin wird die Reise wohl gehen.“

Glossar

  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Polyethylen (Abkürzung: PE) ist das Polymer des Ethylens. Es gehört zu den thermoplastischen Kunststoffen.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Die Mikrosystemtechnik basiert auf technischen (Sub-)Systemen, deren funktionsbestimmende Strukturen Maße im Mikrometerbereich aufweisen (ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter).
  • Die Patch-Clamp-Technik ist ein Methode aus der Elektrophysiologie. Durch sie lässt sich der Strom durch Inionenkanäle in einer Zellmembran darstellen. Dabei werden zwei Elektroden in die Zelle gestochen. Eine, um Haltespannung vorzugeben, die andere, um die auftretenden Ströme über die Membran aufzuzeichnen. So wird die Summe aller Einzelströme gemessen.

Glossar

  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Staphylococcus aureus ist ein häufig in der Umwelt und auch auf Haut und Schleimhäuten vorkommendes kugelförmiges, unbewegliches Bakterium. Gelangt Staphylococcus aureus z.B. durch ein geschwächtes Immunsystem in den Körper, verursacht es dort häufig eitrige Infektionen, Lebensmittelvergiftungen und Lungenentzündungen, die auch tödlich enden können.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Polyethylen (Abkürzung: PE) ist das Polymer des Ethylens. Es gehört zu den thermoplastischen Kunststoffen.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Pegylierung ist eine chemische Modifikation einer Substanz, durch die eine meist lange Polyethylenglykol-Kette (PEG-Kette) angehängt wird. Dadurch ändern sich die Eigenschaften der Substanz , wie z.B. die Löslichkeit in Wasser.
  • Die Mikrosystemtechnik basiert auf technischen (Sub-)Systemen, deren funktionsbestimmende Strukturen Maße im Mikrometerbereich aufweisen (ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter).
  • Die Patch-Clamp-Technik ist ein Methode aus der Elektrophysiologie. Durch sie lässt sich der Strom durch Inionenkanäle in einer Zellmembran darstellen. Dabei werden zwei Elektroden in die Zelle gestochen. Eine, um Haltespannung vorzugeben, die andere, um die auftretenden Ströme über die Membran aufzuzeichnen. So wird die Summe aller Einzelströme gemessen.
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