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 Im Visier: die „kleinen Geschwister“ der Proteine
12.11.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Reparaturdefekt führt zu Chaos im Erbgut
12.11.2018 | Deutsches Krebsforschungszentrum

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: Graphen auf dem Weg zur Supraleitung

Doppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Dies zeigt nun eine Arbeit an BESSY II. Ein Team hat dafür die Bandstruktur dieser Proben mit extrem hoher Präzision ausgemessen und an einer überraschenden Stelle einen flachen Bereich entdeckt. Möglich wurde dies durch die extrem hohe Auflösung des ARPES-Instruments an BESSY II.

Aus reinem Kohlenstoff bestehen so unterschiedliche Materialien wie Diamant, Graphit oder Graphen. In Graphen bilden die Kohlenstoffatome ein zweidimensionales...

Im Focus: Datensicherheit: Aufbruch in die Quantentechnologie

Den Datenverkehr noch schneller und abhörsicher machen: Darauf zielt ein neues Verbundprojekt ab, an dem Physiker der Uni Würzburg beteiligt sind. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit 14,8 Millionen Euro.

Je stärker die Digitalisierung voranschreitet, umso mehr gewinnen Datensicherheit und sichere Kommunikation an Bedeutung. Für diese Ziele ist die...

Im Focus: A Leap Into Quantum Technology

Faster and secure data communication: This is the goal of a new joint project involving physicists from the University of Würzburg. The German Federal Ministry of Education and Research funds the project with 14.8 million euro.

In our digital world data security and secure communication are becoming more and more important. Quantum communication is a promising approach to achieve...

Im Focus: Research icebreaker Polarstern begins the Antarctic season

What does it look like below the ice shelf of the calved massive iceberg A68?

On Saturday, 10 November 2018, the research icebreaker Polarstern will leave its homeport of Bremerhaven, bound for Cape Town, South Africa.

Im Focus: Forschungsschiff Polarstern startet Antarktissaison

Wie sieht es unter dem Schelfeis des abgebrochenen Riesen-Eisbergs A68 aus?

Am Samstag, den 10. November 2018 verlässt das Forschungsschiff Polarstern seinen Heimathafen Bremerhaven Richtung Kapstadt, Südafrika.

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wer rechnet schneller? Algorithmen und ihre gesellschaftliche Überwachung

12.11.2018 | Veranstaltungen

Profilierte Ausblicke auf die Mobilität von morgen

12.11.2018 | Veranstaltungen

Mehrwegbecher-System für Darmstadt: Prototyp-Präsentation am Freitag, 16. November, 11 Uhr

09.11.2018 | Veranstaltungen

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

Ein magnetisches Gedächtnis für den Computer

12.11.2018 | Energie und Elektrotechnik

Autonomes Parken wird erprobt

12.11.2018 | Informationstechnologie

Multicopter und Satelliten für den Rettungseinsatz

12.11.2018 | Informationstechnologie

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