Biosensorchips für die molekulare Diagnostik – Made in Thüringen!

Die Entwicklung therapeutischer Antikörper hängt wesentlich von der Analyse dieser biomolekularen Wechselwirkungen ab. Auf dem Gebiet der instrumentellen Analytik gibt es präzise Methoden wie die Reflektometrische Interferenzspektroskopie (RIfS), mit denen Biochips ausgelesen werden.

Allerdings sind die herkömmlichen Immobilisierungsmatrices problematisch in ihrer Nutzung hinsichtlich Handhabung und Stabilität.

Am Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. in Heilbad Heiligenstadt entwickelten Forscher innerhalb eines Projektkonsortiums mit Thüringer Forschung- und Industriepartnern eine neuartige Immobilisierungsmatrix für Sensoroberflächen auf der Basis von Tetraetherlipiden. Diese Lipide sind Bestandteil der Plasmamembran von Archaeen, welche neben Bakterien und Eukaryoten die dritte Domäne der zellulären Lebewesen bilden. Da sie sich im Laufe der Evolution an extreme Lebensbedingungen hinsichtlich Temperatur, pH-Wert und hohe Salzkonzentrationen angepasst haben, bezeichnet man sie auch als Extremophile, die sich in biologischen Nischen eingenistet haben.

Die Stabilität dieser Mikroorganismen liegt in den Tetraetherlipiden begründet. So sind Etherbindungen auch bei niedrigen pH-Werten stabil, was sie hydrolyseresistent macht und sie darüber hinaus vor enzymatischem Abbau schützt. Die komplett gesättigte Kohlenwasserstoffkette ohne Doppelbindungen macht die Lipide oxidationsunempfindlich. Die isoprenen Verzweigungen verleihen zusätzliche Stabilität und tragen zu einer hohen Packungsdichte beim Aufbau der Membran bei. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Bilayermembranen handelt es sich hierbei um eine monomolekulare Lipidschicht. Aus der gefriergetrockneten Biomasse des Archaeenstammes Sulfolobus acidocaldarius wird das polare Main Phospholipid (MPL) extrahiert.

Aufgrund der großen Polaritätsunterschiede im MPL zwischen den hydrophilen Lipidkopfgruppen und den hydrophoben Alkylketten bilden sich im wässrigen Milieu spontan multilamellare Liposomen. Durch Extrusion dieser Liposomensuspension mittels Polycarbonatmembranen mit definierten Porengrößen von 100 nm lassen sich unilamellare Liposomen herstellen. Kommen diese Liposomen in Kontakt mit den glasbasierten Sensoroberflächen, spreiten die Liposomen zu einem Lipidfilm. Auf dieser membrananalogen Immobilisierungsmatrix lassen sich biologische Fängermoleküle (Liganden) ankoppeln, wodurch Protein- bzw. Immunoassays für die Reflektometrische Interferenzspektroskopie (RIfS) etabliert werden konnten.

Beispielweise wurden gezielt Antikörper immobilisiert, die hoch selektiv und sensitiv C-reaktives Protein (CRP) detektieren. CRP ist ein Akute-Phase-Protein dessen Konzentration im Blut bei entzündlichen (infektiösen und nichtinfektiösen) Erkrankungen ansteigt. CRP stellt somit einen wichtigen diagnostischen Laborparameter dar.

Das Forschungsprojekt des Institutes für Bioprozess- und Analysenmesstechnik (iba) e.V. „Immobilisierungsmatrices für neue Biosensor-Oberflächen auf der Basis von Tetraetherlipiden“ (FKZ: 2007 FE 9010) war Teil des von der Thüringer Aufbaubank geförderten Verbundprojektes TetraSurf (Entwicklung von Biosensor-Chips auf der Basis von Tetraetherlipiden für die biomolekulare Interaktionsanalytik an Centromer-Proteinen und viralen Antigen-Antikörpern, Förderzeitraum: 04/09–03/12).

Weitere Informationen
Prof. Dr.-Ing. Klaus Liefeith,
Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik (iba) e.V.,
Heilbad Heiligenstadt,
Telefon: 03606 / 671 500,
E-Mail: klaus.liefeith@iba-heiligenstadt.de