Cornelia Reuter und Walter Hauswald haben einen optischen Biosensor entwickelt, der DNA und Proteine ohne Markierung erkennt 

Mithilfe von Licht macht der Sensor Biomoleküle sichtbar – ganz ohne Farbstoffe oder chemische Markierungen. Entwickelt mit dem Mikro- und Nanotechnologie-Team im Reinraum des Leibniz-IPHT, könnte die Technologie Diagnoseverfahren schneller und einfacher machen.

In den Händen von Dr. Cornelia Reuter schimmert der Sensor wie ein Regenbogen. Dreht sie den Chip leicht im Licht, wechseln die Farben – von Grün über Blau bis hin zu warmen Gelbtönen. Dieses Farbenspiel ist kein Zufall, sondern Teil der Technologie: Der Sensor nutzt Lichtbeugung, um Biomoleküle wie DNA oder Proteine zu identifizieren. Ziel ist es, eine bestimmte DNA-Sequenz oder ein spezifisches Epitop präzise nachzuweisen. Epitope sind winzige Strukturen auf der Oberfläche eines Proteins, an die Antikörper gezielt binden können – ein Prinzip, das in vielen diagnostischen Tests genutzt wird, um Krankheiten zuverlässig zu erkennen.

Farben, die mehr verraten als das Auge sieht

„Das Farbmuster zeigt, dass die Oberfläche des Sensors mit mikroskopisch kleinen Strukturen versehen ist“, erklärt Cornelia Reuter aus der Arbeitsgruppe Angewandte Biospektroskopie und Bioassays. Diese feinen Gitterstrukturen beugen das Licht unterschiedlich stark – je nachdem, ob und welche Moleküle wie Antigene oder DNA-Stränge an der Oberfläche gebunden sind. So werden biomolekulare Interaktionen direkt sichtbar, ohne Farbstoffe oder Markierungen.

Technologie aus dem ­Reinraum

Der Sensor kann mehrere unterschiedliche Biomoleküle gleichzeitig erkennen, was ihn besonders für die medizinische Diagnostik interessant macht. „Wir können beispielsweise Nukleinsäuren und Antikörper gegen SARS-CoV-2 in einer einzigen Messung nachweisen“, sagt Reuter. Dies spart nicht nur Zeit, sondern vereinfacht auch die Probenvorbereitung.

Die empfindlichen Mikro- und Nanostrukturen des Sensors fertigte das Team des Kompetenzzentrums für Mikro- und Nanotechnologien unter der Leitung von Dr. Uwe Hübner – in enger Zusammenarbeit mit Dr. Walter Hauswald. Mit seiner Technologiegruppe Sensorsysteme und Systemintegration entwickelte Hauswald die optische Ausleseeinheit, die den schnellen und präzisen Nachweis ermöglicht. „Unsere Aufgabe war es, die physikalischen Prinzipien so auszunutzen, dass der Sensor zuverlässig und einfach in der Handhabung ist“, erklärt er. Die Ausleseeinheit unterdrückt gezielt störende Lichtanteile und erfasst nur die Beugungsmuster, die durch die Bindung von Biomolekülen entstehen.

Teamwork für präzisere Diagnosen

Damit der Sensor gezielt für die Diagnostik eingesetzt werden kann, arbeiteten Cornelia Reuter und Walter Hauswald eng mit Prof. Dr. Ralf Ehricht und Dr. Sindy Burgold-Voigt zusammen. Ihr Team aus der Forschungsabteilung Optisch-Molekulare Diagnostik und Systemtechnologie kombiniert molekulare Nachweismethoden mit optischen Verfahren – eine Synergie, die es ermöglicht, Infektionskrankheiten schneller und präziser zu identifizieren. In der Forschergruppe MultiHoloDiag am InfectoGnostics Forschungscampus Jena entstand so ein flexibles System, das sich je nach medizinischer Fragestellung anpassen lässt.

„Wir sehen Potenzial für die Diagnose von Infektionskrankheiten, aber auch für die Überwachung chronischer Erkrankungen“, sagt Cornelia Reuter. Das System lässt sich flexibel anpassen und ist sowohl in klinischen Laboren als auch in der Forschung einsetzbar. Diese Sensortechnologie hat großes Potenzial, für medizinische Fragestellungen nutzbar gemacht zu werden – von der Infektionsdiagnostik bis hin zur personalisierten Medizin.

Original-Publikation: https://doi.org/10.3390/bios14080398