Biosensor für Knoblauch entwickelt

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, der Universität Bonn und der Fachhochschule Aachen, Abteilung Jülich, haben erstmals einen Biosensor entwickelt, mit dem sie die wertvollen Inhaltsstoffe, denen auch der Knoblauch seine vielfältigen Wirkungen „verdankt“, in ähnlichen Pflanzen aufspüren und ihre Konzentration bestimmen können.

Für den Geruch und die medizinische Wirkung des Knoblauchs machen die Wissenschaftler bestimmte schwefelhaltige Substanzen verantwortlich, die in der Pflanze aus so genannten Cysteinsulfoxiden gebildet werden. Doch die gibt es nicht nur im Knoblauch selbst, sondern sie werden auch in vielen weiteren Arten der Lauchfamilie vermutet. „Von den 800 verschiedenen Lauchgewächsen ist bisher nur etwa ein Dutzend auf Cysteinsulfoxide untersucht worden“, erklärt Dr. Michael Keusgen von der Universität Bonn. „Das liegt daran, dass bisher ausschließlich chemische Analysemethoden zur Verfügung stehen und die sind sehr aufwändig.“ Gemeinsam mit Prof. Michael Schöning vom Forschungszentrum Jülich / Fachhochschule Aachen hat er daher den ersten Biosensor für Knoblauch entwickelt. „So können wir im Inventar der Natur unkompliziert und schnell nach Pflanzen suchen, die, wie Knoblauch, große Mengen Cysteinsulfoxid enthalten“, erklärt Keusgen. „Denn das könnten einmal sehr vielseitige Nutz- und Arzneipflanzen werden, deren Wirkungsspektrum beispielsweise über das von Knoblauch hinausgeht.“

Ein Biosensor ist ein Messfühler, der eine biologische Komponente, etwa Enzyme oder ganze Zellen, nutzt, um bestimmte Moleküle oder Substanzen zu erkennen und ihre Menge zu bestimmen. Biosensoren können beispielsweise den Zuckergehalt im Blut messen – und neuerdings auch den Gehalt an Cysteinsulfoxiden in Pflanzen. Beim Knoblauchsensor nutzen die Wissenschaftler ein Enzym – einen Biokatalysator -, um die begehrten Cysteinsulfoxide aufzuspüren. „Doch ein ’echter’ Biosensor muss eine weitere Randbedingung erfüllen“, erklärt Michal Schöning, „er muss miniaturisierbar sein.“ Dieses Kriterium haben die Wissenschaftler erfüllt, indem sie das ’Knoblauch-Erkennungs-Enzym’, die Alliinase, mit biochemischen Methoden auf der Oberfläche eines speziellen Silizium-Mikrochips fixieren. Dieser besteht aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Funktionen, aus denen sich die Bezeichnung „EIS-Struktur“ ableitet: „E“ steht für „Elektrolyt“, „I“ für „Isolator“ und „S“ für „semiconductor“, das englische Wort für Halbleiter. Die Jülicher Wissenschaftler sind Spezialisten für solche EIS-Schichtstrukturen, die sie mit Methoden der klassischen Silizium-Technologie fertigen.

Das Enzym auf der Oberfläche des Chips, der bis auf einige Quadratmillimeter „schrumpfen“ kann, steht in Kontakt mit der zu untersuchenden Lösung: Enthält diese Cysteinsulfoxide, setzt die Alliinase sie in einer chemischen Reaktion zu denjenigen Stoffen um, die für den typischen Geruch und für die medizinische Wirkung des Knoblauchs verantwortlich sind. „Daneben entsteht Ammoniak“, verrät Schöning. „Der Ammoniak verändert den pH-Wert der Lösung. Dadurch wiederum ändert sich die elektrische Kapazität der EIS-Schichtstruktur, auf der das Enzym fixiert ist. Wenn wir diese Kapazitätsänderung messen, wissen wir wie viel Ammoniak entstanden ist und damit wie viel Cysteinsulfoxid in der Probe enthalten war.“

Bei ihren Messungen haben die Jülicher und Bonner Wissenschaftler festgestellt, dass ihr Knoblauch-Biosensor ausreichend empfindlich ist, um Pflanzenproben zu untersuchen. Doch auf dem Arzneipflanzensektor ist ein solcher Biosensor ein Neuling, denn „der Arzneimittelbereich ist biosensorisches Brachland“, wie Keusgen es ausdrückt. Hier sieht er deshalb eine wichtige mögliche Anwendung. „Außerdem könnte der Biosensor in der Qualitätskontrolle in der Pharma- und Lebensmittelindustrie, beispielsweise als einfacher Test für Knoblauchpräparate, wertvolle Dienste leisten.“ Michael Schöning zählt gleich mehrere Vorteile des Biosensors auf: „Zum einen könnte man kostengünstig große Stückzahlen fertigen. Zum anderen wäre der Biosensor sehr robust und auch für Vor-Ort-Messungen geeignet.“ Die beiden Wissenschaftler glauben, dass der Knoblauch-Biosensor in etwa drei Jahren anwendungsreif ist und sind durchaus daran interessiert, gemeinsam mit einem Industriepartner einen entsprechenden Prototypen zu entwickeln.

In Ägypten galt er als heilige Pflanze. In Griechenland sagte man, er verleihe Kraft. Im Mittelalter wurde er gar als Mittel gegen die Pest gehandelt. Bis heute ist der Knoblauch ein weit verbreitetes Gewürz und pflanzliches Heilmittel. Beispielsweise senkt er den Cholesterinspiegel und wird zu Vorbeugung altersbedingter Gefäßerkrankungen eingesetzt.