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Krankheitserreger mit Hilfe der Quantentechnologie erkennen

08.05.2019

© Fraunhofer ISC

DNA-stabilisierte Metall-Quanten-Cluster gehören zu einer neuartigen Klasse biologischer Nanomaterialien und sollen als hochempfindliche, kostengünstige Biosensoren eingesetzt werden. Mit ihren Fluoreszenzeigenschaften können Forscher Krankheiten schnell und zuverlässig detektieren.

Krankheiten sicher diagnostizieren, multiresistente Keime identifizieren, beginnende Epidemien frühzeitig erkennen oder Gifte und Krankheitserreger im Trinkwasser und Lebensmitteln schon in geringsten Konzentrationen nachweisen – das sind große Herausforderungen und Ziele aktueller Forschung. Eines der aussichtsreichsten Werkzeuge für diese Aufgaben sind neuartige und stark verbesserte Biosensoren. Das Projekt »BioSensing« der Fraunhofer-Institute für Silicatforschung ISC, und für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME sowie des Instituts für Physik der Universität Leiden will die Grenzen moderner Biosensoren mit Hilfe der Quantentechnologie überwinden.

Mit Biosensoren sollen noch sicherere und effizientere Diagnosen im Bereich der Medizin ermöglicht werden. Doch die Forschung steht vor großen Herausforderungen. Die Sensoren sollen empfindlich genug sein, um schon kleinste Mengen an Krankheitserregern im Blut oder anderen biologischen Flüssigkeiten zu entdecken. Gleichzeitig sollen sie spezifisch und in Echtzeit selbst schwer zu diagnostizierende Krankheiten erkennen, damit wirksame Therapieverfahren frühzeitig greifen können.

Im Projekt »BioSensing« – gefördert im Rahmen des Fraunhofer-Programms »ICON« – sollen diese Aufgaben mit neuartigen, auf Quanteneffekten basierenden Biosensoren bewältigt werden. Im Zentrum des Projekts steht eine neuartige Klasse biologischer Nanomaterialien, sogenannte DNA-stabilisierte Metall-Quanten-Cluster (QC-DNA), die als »Quanten-Biosensoren« eingesetzt werden. In ihrer einfachsten Form bestehen diese Biosensoren aus einer kurzen DNA-Sequenz, die eine Gruppe von sechs bis 15 Metallatomen, Metall-Cluster genannt, umschließt. Die Wahl der DNA-Sequenz bestimmt die Sensoreigenschaften und legt fest welche Krankheit detektiert wird. Die Grundstruktur eines Quanten-Biosensors kann um weitere, spezifische Biomoleküle erweitert und somit gezielt für die Erkennung ausgewählter Biomarker angewendet werden.

Doch wie erkennen Forscher, dass ein Quanten-Biosensor eine bestimmte Krankheit detektiert hat? Dazu nutzen sie die Fluoreszenzeigenschaften des Metall-Clusters. Hat eine erfolgreiche Detektion stattgefunden, ändert sich die Wellenlänge des von den Metall-Clustern ausgesendeten Lichts. Sie eignen sich für die Entwicklung von hochempfindlichen Sensoren in biologischen Systemen und ermöglichen eine fortschrittliche, intelligente und bezahlbare Therapie.

Aber solch ein Quanten-Biosensor reagiert nicht nur auf Krankheiten (verursacht durch Keime oder auch Mutationen im Genom), sondern auch auf wechselnde Umgebungsbedingungen, beispielsweise eine Erhöhung von Salzkonzentrationen. Hieraus ergeben sich weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie etwa das Monitoring von Nahrungs- und Futtermitteln oder die Nutzung in der Umweltanalytik. Ein erheblicher Vorteil ist dabei die kostengünstige Herstellung der Quanten-Biosensoren.

Bisherige Tests waren auf das Labor beschränkt. Die Partner von »BioSensing« vom Fraunhofer ISC, IME und der Universität Leiden in den Niederlanden haben sich zum Ziel gesetzt, verschiedene Quanten-Biosensoren zu designen und für den Einsatz auf Pilotmaßstab hochzuskalieren und für Machbarkeitsstudien in Universitätskliniken vorzubereiten.

Langfristig gesehen planen die Partner in Folgeprojekten ein tragbares Auslesegerät zu entwickeln, um vor Ort kostengünstig, hochempfindlich, schnell und zuverlässig verschiedene Krankheitserreger, Giftstoffe oder Krebszellen erkennen zu können.

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