Chips mit Geruchszellen sollen Sprengstoff erschnüffeln

Forscher der A. James Clark School of Engineering an der University of Maryland arbeiten an Zellen-basierten Sensor-Systemen. Das Konzept der Wissenschaftler sind Mikrochips, auf denen lebende Zellen als winzige biochemische Detektoren fungieren.

Sie sollen wesentlich schneller und zuverlässiger als heutige biochemische Sensoren diverse Substanzen erkennen. Im militärischen Bereich könnten mithilfe organischer Geruchszellen Explosivstoffe aufgespürt werden. Doch auch vielseitige andere Anwendungen seien denkbar, etwa in der Umwelt- oder Lebensmittelanalyse.

Aktuelle biochemische Detektoren hätten das Problem, zu häufig falsche Ergebnisse wie etwa Fehlalarme zu liefern, so die Forscher. Dem sollen die organischen Mikro-Labore Abhilfe schaffen. Die organischen Zellen als Teil der Mikrosysteme könnten chemische und biologische Gefahrenstoffe präziser und schneller erkennen. Elektronische Schaltkreise überwachen und interpretieren das Verhalten der Zellen, um insgesamt einen verwendbaren Sensor zu ergeben.

So sollen Geruchszellen etwa genutzt werden, um Sprengstoffe zu erschnüffeln. Andere Zellen wiederum könnten bei Kontakt mit Pathogenen Stress-Reaktionen aufweisen oder absterben, woraufhin die überwachende Elektronik einen Alarm auslösen würde.

Das Team von Pamela Abshire, Benjamin Shapiro und Elisabeth Smela wurde schon 2004 von der University of Maryland für die Idee ausgezeichnet und verfeinert derzeit die erforderlichen Technologien. Dazu zählen elektronische Schaltkreise, die mit den organischen Zellen interagieren ebenso wie Mikrofluide, mit denen die biologischen Bauteile auf den Chips in Position gebracht werden können.

Eine wesentliche Herausforderung ist, dass die biologischen Zellen zum Überleben eine feuchte Umgebung benötigen, gleichzeitig aber die Elektronik des Systems trocken gehalten werden muss. „Wir schaffen die Möglichkeit, viele verschiedene Zellen auf einem Chip zu überwachen“, meint Abshire. „Wir wenden sozusagen das Mooresche Gesetz der exponentiellen Steigerung der Rechenleistung auf die Zellenbiologie an.“

Dass zunächst potenziell militärische Einsatzgebiete wie das Aufspüren von Sprengstoff oder Pathogenen als Anwendungsbeispiele genannt werden, mag damit zusammenhängen, dass die Forschung unter anderem vom Department of Homeland Security und der Defense Intelligence Agency gefördert wird. Die Forscher betonen jedoch, dass auch viele andere Einsatzgebiete für die Mikro-Labore denkbar seien.

Wasser könnte auf Verunreinigungen untersucht werden und bei Nahrungsmitteln wäre es möglich zu bestimmen, ob diese verdorben sind. Bei Käse oder Wein könnte ihre genaue Herkunft ermittelt werden. Auch ein Einsatz zur Luftanalyse oder in der Pharmaindustrie sei vorstellbar, ferner könnte die wissenschaftliche Grundlagenforschung profitieren.