Bestückung mit Fängermolekülen elektrisch gesteuert #####

Die Identifikation von organischen Substanzen – etwa Krankheitserregern oder gentechnisch veränderten Pflanzen – wird in den nächsten Jahren immer kostengünstiger werden. Werden die dafür verwendeten „Biochips“ heute noch optisch ausgelesen, so geht der Trend in Richtung...

Die Identifikation von organischen Substanzen – etwa Krankheitserregern oder gentechnisch veränderten Pflanzen – wird in den nächsten Jahren immer kostengünstiger werden. Werden die dafür verwendeten „Biochips“ heute noch optisch ausgelesen, so geht der Trend in Richtung elektrische Messung, die wesentliche Vorteile bietet. Außerdem könnte sich ihre Herstellung in den nächsten Jahren revolutionieren, wenn das hier beschriebene Verfahren Anwendungsreife erreicht.

Was heute unter der Bezeichnung „Biochip“ läuft, ist kein Siliziumbaustein, sondern eine Glas- oder Kunststoffplatte mit zahllosen kleinen Feldern, auf denen kurze Teilstücke von DNS-Ketten befestigt sind, typisch mit einigen zig Gliedern. Dabei nutzt man deren Eigenschaft, dass komplementär zueinander passende Kettenabschnitte das Bestreben haben, sich aneinanderzubinden – zu „hybridisieren“. Die Bindung ist nur dann fest, wenn an allen Positionen die zusammengehörigen Aminosäuren einander gegenüberstehen. Nicht exakt passende Ketten hängen weniger fest und lassen sich leicht wieder abspülen. Somit wirkt hier ein hochselektives Schlüssel-Schloss-Prinzip. 20 bis 40 Glieder reichen bereits, um die Verwechselungsgefahr extrem gering zu machen.

Will man eine bestimmte Substanz anhand ihrer DNS-Kette nachweisen, dann bringt man ein komplementäres Stück eines charakteristischen, unverwechselbaren Teils der Kette auf den Biochip. Ist die gesuchte Substanz in der Lösung enthalten, bleiben ihre Moleküle daran hängen (Bild 1). Der Rest der Kette steht über, was nicht stört. Damit man in einem Schritt viele Substanzen parallel erfassen kann, haben die praktischen Chips meist eine große Anzahl (bis zu einigen zigtausend) Positionen, jede mit einer anderen DNS-Kette. Um die Doppelhelix des zu untersuchenden Stoffes der Länge nach aufzuspalten, erwärmt man sie und gibt bestimmte Enzyme hinzu; an die Enden der Ketten werden vor der Analyse Fluoreszenzfarbstoff-Moleküle angehängt.

Zur Analyse beleuchtet man den Chip in einem „Biochip-Reader“ mit Laserlicht. An den Stellen, wo Moleküle hängengeblieben sind, wird dann Fluoreszenzlicht abgestrahlt. Die jeweilige Position auf der Platte ermöglicht einen Rückschluss darauf, um welche Substanz es sich handelt. Nachweisen lassen sich damit beispielsweise Krankheitserreger, gentechnisch manipulierte Pflanzen, Tiere und Lebensmittel, Tumorzellen, Proteine, Antikörper, Antigene und Vaterschaften. Das Auslesen aber ist ein höchst komplexer Vorgang. Weil das Fluoreszenzlicht oft extrem schwach ist, braucht es eine sehr hohe Verstärkung mit einem Photomultiplier, dazu kommen eine Präzisionsoptik und weitere Apparaturen, mit denen nur speziell ausgebildetes Personal umgehen kann. Auch die Herstellung der Biochips ist aufwendig. Es gibt dafür zwei Methoden: a) mit Masken wie in der Halbleitertechnologie oder b) mit einem Mikrodispenser, der ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker kleinste Tröpfchen aufbringt. Jeder Chip wird nur einmal verwendet und danach weggeworfen. Eine Reinigung wäre nicht sicher genug: Würde etwas Substanz hängenbleiben, dann gäbe es anschließend eine Fehldiagnose mit unter Umständen fatalen Folgen.

Ein ganz anderes Problem: Weil kleine und mittelständische Firmen ihren Bedarf nicht selbst decken können, müssen sie sich ihre Biochips von externen Herstellern nach Maß anfertigen lassen. Damit verlässt aber ihr spezielles Know-how das Haus. Zwar sichern die Hersteller Diskretion gegenüber anderen Kunden zu, aber grau ist alle Theorie. Das alles schafft Druck, nach neuen Wegen zu suchen.

Einen vielversprechenden neuen Weg zur Herstellung von Biochips hat Prof. Dr. Helmut Hummel (FH Regensburg) entwickelt, in enger Kooperation mit Prof. Dr. Otto Wolfbeis (Universität Regensburg). Das Verfahren arbeitet elektrisch. Zunächst wird die Chipoberfläche mit einer Anzahl von Goldelektroden belegt. An die aufzubringenden Fängermoleküle wird am Ende eine Alkylthiolgruppe angehängt; mit dieser bleiben sie an der Goldoberfläche hängen, wenn an diese ein positives Potential gelegt wird. Man taucht den Chip in eine Lösung mit der DNS-Sequenz; eine Silberelektrode (Bild 2) gibt ihr ein negatives Potential. Wenn man jetzt einer der Goldelektroden ein positives Potential gibt, lagern sich die Moleküle darauf ab – so lange, bis die ganze Fläche mit einer ein Molekül dicken Schicht bedeckt ist. Die Lösung wird abgewaschen und die nächste kommt darüber, wobei zusätzlich eine zweite Elektrode auf positives Potential gelegt wird. An der ersten kann nichts mehr andocken, weil sie schon voll ist, also setzen sie sich auf die zweite. Diesen Prozess setzt man dann fort, bis alle Elektroden bedeckt sind (Bild 3).

Ein so hergestellter Biochip zeigt eine ganze Reihe von Vorteilen:

  • Es sind keine Masken und kein teurer Mikrodispenser mehr erforderlich, sondern die Lösung benetzt immer den gesamten Chip. So wird die Herstellung viel einfacher als bisher. Mittelständische Firmen werden das in Zukunft selbst machen können, zumindest „Low Density“-Chips mit 100 bis 200 Positionen.
  • Die Fängerketten sitzen hier nicht mehr unabänderlich fest. Vielmehr sind jetzt auch Änderungen möglich. Wenn der Anwender etwa feststellt, dass er bei einer Serie in einer oder mehreren Positionen lieber ein anderes Fängermolekül hätte, dann kann er – durch Anlegen eines negativen Potentials an die betreffende Elektrode – die bisherigen ablösen und anschließend mit einem positiven Potential die gewünschten neuen daraufsetzen. So lässt sich der Biochip nach Maß zurechtschneidern – sehr nützlich vor allem in der Entwicklungsphase.
  • Es verlässt kein firmeneigenes Know-how mehr das Haus, die Geheimhaltung ist jetzt sehr viel besser gewährleistet.