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Wissenschaftspreis für Biochips aus dem Drucker

18.08.2008
Peptid-Arrays sind ein leistungsfähiges Werkzeug, um neue medizinische Wirkstoffe, Impfstoffe, Diagnose- oder Therapieverfahren zu entwickeln.

Mit einem neuen Herstellungsverfahren, das auf dem Laserdruck basiert, lässt sich das Potenzial von Peptid-Arrays in Zukunft erstmals effektiv nutzen. Für dieses Verfahren erhielten Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungs­zentrums und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA den Wissenschaftspreis des Stifterverbands 2008.

Peptide sind Bruchstücke von Proteinen (Eiweißmolekülen), die aus bis zu 50 Aminosäuren aufgebaut sind. In der Praxis reichen 15 bis 20 Aminosäuren aus, um Proteine von Krankheitserregern zu identifizieren oder Arzneimittel zu erforschen. Derzeit sind die Kapazitäten von Peptid-Arrays jedoch begrenzt.

Sie liegen bei maximal 10000 Peptiden auf einem Träger. Um beispielsweise alle tausend Proteine eines Bakteriums in Form von jeweils 100 überlappenden Peptiden darzustellen, benötigt man Biochips mit 100000 Peptiden - für einen Malariaerreger sogar 500000. Weiterer Nachteil: ein Peptidspot kommt auf etwa 5 Euro - ein gesamter Träger mit 10000 Peptiden würde nahezu 50000 Euro kosten.

Einen Weg zur Massenfertigung der Peptid-Arrays fanden Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) in Heidelberg gemeinsam mit Entwicklern aus dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart: Biochips aus dem Drucker.

"Peptid-Arrays werden bislang mit einer Spottechnik hergestellt, bei der die einzelnen Aminosäuren mit einem Pipettierroboter auf eine papierartige Membran aufgetupft werden", erzählt Dr. Stefan Güttler vom Fraunhofer IPA, "das mit einem Drucker zu versuchen, ist etwas komplett Neues". Die Projektvorgaben waren klar und hart: gedruckt wird auf Glas - nicht auf ein flexibles Medium. Es muss mit 20 Tonern gedruckt werden, denn die Peptide müssen aus 20 verschiedenen Aminosäuren zu bestimmten Ketten verkettet werden.

Den Bio-Toner lieferten die Wissenschaftler des DKFZ: verkapselte Aminosäuren. Die Aminosäurepartikel werden im Drucker zunächst trocken verarbeitet. Damit die Aminosäuren aber chemisch reagieren können, müssen sie gelöst sein. "Um die Aminosäuren in Lösung zu bringen, erhitzen wir die Platte", erklärt Dr. F. Ralf Bischoff vom DKFZ. Dabei werden die Tonerpartikel geschmolzen und die Aminosäuren können an den Träger koppeln. Schicht für Schicht wird exakt aufeinander gedruckt und verkettet. Weiterer Vorteil: die in den Toner eingekapselten Aminosäuren sind um ein Vielfaches länger haltbar als diejenigen in flüssiger Form.

Die gedruckten Peptid-Arrays sind mit über 155 000 Mikropunkten auf einem Träger von 20 mal 20 Zentimetern nicht nur viel komplexer, sie lassen sich auch viel schneller produzieren und senken die Kosten um mindestens den Faktor 100. Die fertigen Arrays können zu einem Preis von wenigen Cent pro Peptid angeboten werden. Für das "Effiziente Herstellungsverfahren von hoch komplexen Biochips für vielfältige Anwendungen in den Lebenswissenschaften" erhielten die beiden Forscher­teams den Wissenschaftspreis des Stifterverbands 2008. Finanziert wurde die Entwicklung aus eigenen Mitteln sowie in Projekten des Bundesminis­teri­ums für Bildung und Forschung BMBF und der VW-Stiftung. Die Entwick­lungs­kosten belaufen sich bisher insgesamt auf etwa 1,5 Mio Euro.

Hubert Grosser | idw
Weitere Informationen:
http://www.ipa.fraunhofer.de/

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