Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hologramm für Moleküle

26.09.2017

Wissenschaftler der ETH Zürich und von Roche entwickelten eine völlig neuartige Methode zur Analyse von Molekülen in Flüssigkeiten auf einem Chip. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie sind immens. Unter anderem hat sie das Potenzial, die medizinische Diagnostik zu revolutionieren.

Im Blut oder Urin lässt sich so einiges nachweisen: Viruskrankheiten, Stoffwechselstörungen oder Autoimmunerkrankungen beispielsweise lassen sich mit Laboruntersuchungen diagnostizieren. Solche Untersuchungen dauern oft ein paar Stunden und sind ziemlich aufwendig, weshalb Ärzte die Proben spezialisierten Labors übergeben.


Laser-Licht breitet sich in einem Dünnschicht-Wellenleiter aus und wird – falls die zu untersuchenden Moleküle an das Mologramm binden – dort abgelenkt und auf einen Brennpunkt fokussiert.

Gatterdam et al. Nature Nanotechnology 2017


Ein Forscher pipettiert eine Probe auf einen Molografie-Chip. Aufnahme des Versuchsaufbaus in den Labors der ETH Zürich.

ETH Zürich / Andreas Frutiger

Wissenschaftler der ETH Zürich und von der Firma Roche haben gemeinsam eine völlig neuartige Analysemethode entwickelt, die auf Lichtbeugung an Molekülen auf einem kleinen Chip basiert. Die Technik hat das Potenzial, die Diagnostik zu revolutionieren: Ärzte dürften damit in Zukunft komplexe Untersuchungen einfach und schnell direkt in ihrer Praxis durchführen können.

Mit Laser-Licht direkt sichtbar gemacht

So wie andere etablierte Diagnoseverfahren nutzt auch die neue Methode das Schlüssel-Schloss-Prinzip der molekularen Erkennung: Um beispielsweise ein bestimmtes im Blut gelöstes Protein («Schlüssel») zu bestimmen, muss es an einen passenden Antikörper («Schloss») andocken.

Während in etablierten immunologischen Testverfahren der «Schlüssel im Schloss» mit einem zweiten, farbig markierten «Schlüssel» sichtbar gemacht wird, ist dieser Schritt im neuen Verfahren nicht mehr nötig: Mit Laser-Licht kann der «Schlüssel im Schloss» direkt sichtbar gemacht werden.

Die Wissenschaftler nutzen dazu einen Chip, mit einer speziell beschichteten Oberfläche: Es liegen darauf kleinste kreisförmige Punkte, die ein bestimmtes Streifenmuster aufweisen. Das fragliche Molekül haftet sich an die Streifen, jedoch nicht an die Zwischenräume zwischen den Streifen.

Wird nun Laser-Licht der Chipoberfläche entlanggeführt, wird dieses wegen der speziellen Anordnung der Moleküle im Muster gebeugt (abgelenkt) und auf einen Punkt unterhalb des Chips gebündelt. Ein Lichtpunkt wird sichtbar. Geben die Wissenschaftler Proben ohne das fragliche Molekül auf den Chip, wird das Licht nicht gebeugt, und es ist kein Lichtpunkt sichtbar.

Zusammenspiel der Moleküle

«Der Lichtpunkt ist ein Effekt des Zusammenspiels von hunderttausenden von Molekülen in ihrer speziellen Anordnung», sagt Christof Fattinger, Wissenschaftler bei Roche. «Wie bei einem Hologramm wird dabei der Wellencharakter des Laser-Lichts gezielt genutzt.»

Janos Vörös, Professor für Bioelektronik an der ETH Zürich, vergleicht das Prinzip mit einem Orchester: «Die Moleküle sind die Musiker, das Streifenmuster ist der Dirigent. Er sorgt dafür, dass alle Musiker im Takt spielen.» Die Wissenschaftler nennen das Streifenmuster «Mologramm» (molekulares Hologramm), die neue Diagnosetechnik «fokale Molografie».

Roche-Wissenschaftler Fattinger hat das neue Prinzip erfunden und dessen theoretischen Grundlagen erarbeitet. Vor fünf Jahren machte er ein Sabbatical in der Gruppe von ETH-Professor Vörös. Aus der damals begonnenen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern von Roche und der ETH Zürich ist nun die praktische Umsetzung der Molografie entstanden.

Andere Moleküle stören nicht

Ein wesentlicher Vorteil der neuen Methode: Das Signal (der Lichtpunkt) kommt nur aufgrund der sich spezifisch an das Mologramm heftenden Moleküle zustande. Weitere in einer Probe vorhandene Moleküle erzeugen kein Signal. Die Methode ist daher wesentlich schneller als bisherige, auf dem Schlüssel-Schloss-Prinzip beruhende Analysemethoden. Bei letzteren müssen weitere in einer Probe vorhandene Moleküle weggewaschen werden, was die Diagnose verlangsamt und verkompliziert. Die neue Methode eignet sich deshalb hervorragend zur Messung von Proteinen in Blut oder anderen Körperflüssigkeiten.

«Wir rechnen damit, dass dank dieser Technologie künftig mehr Laboruntersuchungen direkt in Arztpraxen statt in spezialisierten Labors durchgeführt werden. Und in ferner Zukunft benutzen Patienten die Technik vielleicht sogar zu Hause», sagt ETH-Professor Vörös.

Grosses Potenzial

Auf einem kleinen Chip sind mehrere Mologramme angeordnet. In der derzeitigen Ausführung messen 40 Mologramme dasselbe Molekül. In Zukunft könnte es allerdings möglich werden, auf einem Chip 40 oder noch mehr unterschiedliche Biomarker gleichzeitig zu messen.

Die Anwendungsmöglichkeiten der neuen Technik sind immens. So könnte sie überall dort zum Einsatz kommen, wo man die Wechselwirkung zwischen Molekülen erkennen und untersuchen möchte. Die Methode ist so schnell, dass sie sich sogar für Echtzeitmessungen eignet. Dies ist für die biologische Grundlagenforschung interessant: Es kann damit beispielweise untersucht werden, wie schnell sich ein biochemisches Molekül an ein anderes heftet. Die Qualitätskontrolle bei der Trinkwasseraufbereitung oder die Prozessüberwachung in der biotechnologischen Industrie wären weitere Anwendungen.

Mit Hochdruck zur Marktreife

«Dass wir die Idee erfolgreich in die Praxis umsetzen konnten, hängt wesentlich damit zusammen, dass unser Projektteam interdisziplinär war», sagt Vörös. An der Arbeit beteiligt waren unter anderem Experten in Fotochemie, Chipherstellung und für Oberflächenbeschichtung. Für das Mologramm nutzen die Wissenschaftler auch spezielle Beschichtungspolymere, die unlängst im Labor von ETH-Professor Nicholas Spencer entwickelt wurden (ETH News berichtete: https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/02/eines-fuer...). «Ohne diese Polymere und ohne die Zusammenarbeit mit Janos Vörös wären wir noch lange nicht am Ziel», sagt Fattinger.

Um die Methode weiterzuentwickeln, wird die Zusammenarbeit von Roche und der ETH Zürich weitergehen. In der Gruppe von ETH-Professor Vörös arbeiten mehrere Wissenschaftler und Doktoranden auf dem Projekt. Auch haben die ETH Zürich und Roche vor, verschiedene Vermarktungsmöglichkeiten für Anwendungen der Methode auszuloten.

Hochschulkommunikation | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wasserbewegung als Hinweis auf den Zustand von Tumoren
19.04.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden
19.04.2018 | Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Im Focus: Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden

Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen. Ein gigantischer Gammastrahlungsblitz wird hier durch die Wechselwirkung eines dichten ultra-relativistischen Elektronenstrahls mit einem dünnen leitenden Festkörper erzeugt. Die reichliche Produktion energetischer Gammastrahlen beruht auf der Aufspaltung des Elektronenstrahls in einzelne Filamente, während dieser den Festkörper durchquert. Die erreichbare Energie und Intensität der Gammastrahlung eröffnet neue und fundamentale Experimente in der Kernphysik.

Die typische Wellenlänge des Lichtes, die mit einem Objekt des Mikrokosmos wechselwirkt, ist umso kürzer, je kleiner dieses Objekt ist. Für Atome reicht dies...

Im Focus: Gamma-ray flashes from plasma filaments

Novel highly efficient and brilliant gamma-ray source: Based on model calculations, physicists of the Max PIanck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg propose a novel method for an efficient high-brilliance gamma-ray source. A giant collimated gamma-ray pulse is generated from the interaction of a dense ultra-relativistic electron beam with a thin solid conductor. Energetic gamma-rays are copiously produced as the electron beam splits into filaments while propagating across the conductor. The resulting gamma-ray energy and flux enable novel experiments in nuclear and fundamental physics.

The typical wavelength of light interacting with an object of the microcosm scales with the size of this object. For atoms, this ranges from visible light to...

Im Focus: Wie schwingt ein Molekül, wenn es berührt wird?

Physiker aus Regensburg, Kanazawa und Kalmar untersuchen Einfluss eines äußeren Kraftfeldes

Physiker der Universität Regensburg (Deutschland), der Kanazawa University (Japan) und der Linnaeus University in Kalmar (Schweden) haben den Einfluss eines...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Nachhaltige und innovative Lösungen

19.04.2018 | HANNOVER MESSE

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Auf dem Weg zur optischen Kernuhr

19.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics