Elektrochemische Detektion zur unkomplizierten Detektion von "Treffern" auf DNA-Chips

Beim Einen wirkt das Medikament prima, beim Anderen gar nicht, ein Dritter leidet unter Nebenwirkungen – oft entscheiden winzige Unterschiede in einem oder mehreren Genen über die individuelle Reaktion auf eine Arznei. Feine Genvariationen sind es auch, die etwa Mikroorganismen Resistenzen gegenüber Antibiotika verleihen oder aus gesundem Gewebe einen Tumor machen. DNA-Chips helfen, solchen Zusammenhängen auf die Spur zu kommen und vielleicht auch bald, routinemäßig für jeden Patienten die passende Medikation zu finden. Deutsche Forscher haben nun eine hochsensitive elektrochemische Methode entwickelt, um solche Chip-Tests rasch und unkompliziert auszuwerten.

Ein DNA-Chip trägt eine große Zahl an einzelsträngigen DNA-Bruchstücken mit genspezifischen Nucleinsäuresequenzen. Diese DNA-Fragmente wirken wie Leimruten (Fänger), wenn das passende – gesuchte – DNA-Gegenstück (Target) in der aufgegebenen Probelösung vorhanden ist: Der komplementäre DNA-Strang aus der Probe dockt an und verbindet sich mit der Leimrute zu einer doppelsträngigen DNA-Helix („Hybridisierung“). Aber welche der Leimruten sind aktiv geworden? Klassische Verfahren arbeiten meist spektroskopisch mit spezifischen fluoreszierenden Markern, mit denen Fänger oder Target markiert wird. Dass es einfacher auch ohne Fluoreszenzmarkierung geht, befanden die Forscher um Wolfgang Schuhmann, Universität Bochum, und Gerhard Hartwich, FRIZ Biochem, München, und wählten einen elektrochemischen Ansatz: Die winzige scheibenförmige Elektrode eines elektrochemischen Rastermikroskops fährt die Chipoberfläche aus beschichtetem Gold in sehr geringem Abstand ab. In der umgebenden Lösung sind negativ geladene Eisencyanid-Komplexe enthalten, deren dreiwertige Eisenionen an der Mikroelektrode in zweiwertige umgewandelt werden. An der der Mikroelektrode gegenüberliegenden leitfähigen Goldoberfläche werden diese dann wieder zu dreiwertigem Eisen recycelt und es stellt sich ein Strom ein, der über den „Pendelverkehr“ der beteiligten Eisen-Spezies zwischen Elektrode und Chip bestimmt ist. Ist die Oberfläche mit einzelsträngiger DNA bedeckt, werden die negativ geladenen Komplexe von den ebenfalls negativen Phosphatgruppen des DNA-Rückgrates abgestoßen und kommen schlechter an die Goldoberfläche: Das Recycling verlangsamt sich, der Stromfluss nimmt ab. Gelangt die Elektrode an einen Bereich mit doppelsträngiger DNA, stehen die Eisenkomplexe einer wesentlich größeren Armada von abstoßenden Phosphaten gegenüber. Das Ausmaß des Redoxrecycling verlangsamt sich weiter, eine deutliche Abnahme des Stroms wird – ortsabhängig – registriert und identifiziert so die Stellen, an denen DNA aus der Probe gefangen ist, also eine Hybridisierung stattfand.

Das Team hat auch schon eine Idee, wie eine simple, kostengünstige Umsetzung für die Diagnostik aussehen könnte: Eine Anordnung vieler individuell ansteuerbarer Mikroelektroden könnte in eine Deckelplatte für den DNA-Chip integriert werden. Einfach zuklappen, und jede Elektrode sendet ein Stromsignal, das Auskunft über „ihren“ Messpunkt, den gegenüberliegenden DNA-Spot, liefert.

Kontakt:

Prof. Dr. W. Schuhmann
Analytische Chemie – Elektroanalytik & Sensorik
Ruhr-Universität Bochum
D-44780 Bochum
Tel.: 0234/322-6200, Fax: /321-4683
E-mail: wolfgang.schuhmann@rub.de