Biosensor spürt kleinste Teilchen auf

Ob Schadstoffe im Wasser oder Viren im Blut – mit dem Biosensorsystem S-sens lässt sich ein breites Spektrum von Stoffen messen. Im Bonner Forschungszentrum caesar entwickelt, wird der Sensor gegenwärtig in einer Kooperation mit der Firma Nanofilm Technologie, Göttingen, produziert und vertrieben. Erste Geräte wurden bereits an die Fachhochschule in Basel und die Universität Bonn geliefert. Weitere gehen an die Stanford University und das Forschungszentrum Borstel bei Hamburg. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Interessenten in den USA, Singapur, China und Taiwan.

„Unser Sensor misst Bindungsprozesse zwischen Molekülen – markerfrei und in Echtzeit“, erklärt Dr. Markus Perpeet, Projektleiter S-sens bei caesar. Herkömmliche Messverfahren verwenden häufig fluoreszierende oder radioaktive Marker, um die untersuchten Stoffe zu kennzeichnen. Der Nachteil dabei ist, dass es durch die Markermoleküle zu einer unerwünschten Beeinflussung und damit einer Verfälschung der untersuchten Wechselwirkung kommen kann. Die Wissenschaftler haben daher ein System entwickelt, das Moleküle aufspüren kann, ohne sie gleichzeitig zu verändern.

„Gegenwärtig wird der Sensor vorzugsweise in der biochemischen Forschung angewendet“, berichtet Perpeet, „so haben wir unter anderem Bindungsexperimente mit DNA durchgeführt. Diese sind für die Krebsdiagnose von großem Interesse. Wir können auf diese Weise charakteristische Mutationen des Erbguts identifizieren, die ein erhöhtes Krebsrisiko anzeigen.“ Neben der biochemischen Forschung sowie dem medizinisch-pharmazeutischen Bereich sind der Umweltschutz und die Lebensmittelanalyse viel versprechende Anwendungsfelder.

Das Gerät lässt sich je nach Anforderung in vielfältiger Weise modifizieren. Die Oberfläche des Chips kann für ein breites Spektrum von Kopplungsmechanismen eingerichtet werden. Ihre Methode, unerwünschte Störeinflüsse während einer Messung zu reduzieren, haben die Wissenschaftler zum Patent angemeldet.

Biosensoren kombinieren elektronische Bauteile mit biologischen Analysemethoden. S-sens besteht aus einem Sensorchip, auf dessen Oberfläche Rezeptormoleküle aufgebracht werden. Für eine Messung wird die Chipoberfläche in Schwingung versetzt. Analysiert wird eine Flüssigkeit, indem eine kleine Menge davon über den Chip geleitet wird. Sind die gesuchten Stoffe in der Probe vorhanden, verbinden sich die entsprechenden Moleküle mit den Rezeptoren und die Masse an der Chipoberfläche nimmt zu. Diese Massenzunahme verändert das Schwingungsverhalten des Sensorchips. Gemessen werden die Amplitude und die Phase der Schwingungen, also ihre Intensität und ihr zeitliches Verhalten. Das Funktionsprinzip des Sensorsystems lässt sich mit dem einer hochsensiblen Mikrowaage vergleichen. Es kann Massenänderungen von weniger als 80 Femtogramm pro Quadratmillimeter erfassen (1 Femtogramm sind 0,000000000000001 Gramm); das entspricht etwa dem Gewicht eines E.coli-Bakteriums.