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Hologramm für Moleküle

Fabio Bergamin

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. 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.

Ein Forscher pipettiert eine Probe auf einen Molografie-Chip. Aufnahme des Versuchsaufbaus in den Labors der ETH Zürich. Bild: ETH Zürich / Andreas Frutiger

 

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.

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. Grafik: Gatterdam et al. Nature Nanotechnology 2017

 

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.

Mittels Lithografie wird ein Chip mit 40 Mologrammen beschichtet (4 Reihen zu je 10 Mologrammen). Hier eine Aufnahme der Qualitätskontrolle mit Laser-Licht. Bild: ETH Zürich / Andreas Frutiger

 

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.

Ein Mologramm (links) hat einen Durchmesser von 0,4 Millimetern und besteht aus tausend sehr feinen Streifen. Der Brennpunkt, auf den das Laser-Licht vom Mologramm fokussiert wird (dargestellt in der Mitte des Mologramms), hat einen Durchmesser von rund einem tausendstel Millimeter. Grafik: ETH Zürich / Andreas Frutiger

 

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. «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.

 

Quelle: www.ethz.ch

Aktuell

ZHAW Science Week seit fünf Jahren: spannende Kurse für Jugendliche

Was ist in Chips drin? Haben Roboter Gefühle? Ist Rotkohl rot oder blau? Antworten auf diese und andere Fragen gibt die Science Week vom 6. bis 10. August 2018 an der ZHAW in Wädenswil. Ju- gendliche zwischen 12 und 15 Jahren werden zu Forscherinnen und Forschern und erleben Naturwis- senschaften hautnah. Dabei experimentieren sie selbst und setzen das Gelernte in die Praxis um. Die Science Week wird 2018 bereits zum fünften Mal durchgeführt.

Die ZHAW Science Week schreibt Erfolgsgeschichte. Das bunte Programm rund um Naturwi ssenschaften lockt seit 2013 jährlich rund 200 Jugendliche an. Sie erleben Hochschule hautnah und werden selbst zu For- schenden. Im Durchschnitt besuchen sie zwei bis drei Kurse. Vor zwei Jahren wurde die Science Week um zwei Angebote erweitert. Neu bekommen auch jüngere Geschwister im Alter zwischen 6 und 11 Jahren ei- nen Einblick in die Naturwissenschaften. Und mit dem «Girls-Only-Day» werden Mädchen angesprochen, die sich für die MINT-Disziplinen interessieren, aber in ihrem Kurs unter sich bleiben wollen.

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Evonik wandelt Projekthaus Medical Devices in ein Kompetenzzentrum um

Die Menschen werden nicht nur immer älter, sie wollen auch bis ins hohe Alter gesund und aktiv sein. Entsprechend steigt der Bedarf an Medizinprodukten. Spezialpolymere wie RESOMER® und VESTAKEEP® von Evonik spielen hier als Implantatmaterialien bereits eine wichtige Rolle. Um diesen attraktiven Wachstumsmarkt noch besser bedienen zu können, hat Evonik in den vergangenen vier Jahren mit seinem Projekthaus Medical Devices umfangreiche Kompetenzen im Bereich orthopädische Chirurgie aufgebaut – in den USA, dem größten Einzelmarkt für Medizintechnik. Das zeitlich befristete Projekthaus in Birmingham (Alabama) wird zum 1. April 2018 in ein dauerhaftes Kompetenzzentrum überführt.

„Wo es um patientenfreundliche medizintechnische Lösungen geht, wollen wir Evonik als führenden Materialanbieter und Entwicklungspartner positionieren“, sagt Harald Schwager, stellvertretender Vorstandsvorsitzender von Evonik und zuständig für Innovation. „Das Projekthaus hat uns hier ein großes Stück vorangebracht.“

Über 20 hochqualifizierte Wissenschaftler beschäftigen sich in Birmingham seit 2014 mit der Weiterentwicklung bestehender Materialien und Anwendungstechnologien. Neben etablierten Technologien wie dem Extrusions- und Spritzgussverfahren setzt das Projekthaus moderne Prozesstechnologien wie 3D-Druck und Elektrospinning ein, um Materialeigenschaften zu untersuchen und Prototypen herzustellen.

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Flüssigkeitsanalyse-Spezialist Endress+Hauser Conducta erhält den European Business Award sowie das TOP JOB-Siegel

Endress+Hauser Conducta ist zum fünften Mal in Folge mit dem European Business Award ausgezeichnet worden. Das Kompetenzzentrum der Endress+Hauser Gruppe für Flüssigkeitsanalyse setzte sich 2018 in der Kategorie „Business of the Year“ als „National Winner“ durch. Außerdem erhielt das Unternehmen als einer der besten Arbeitgeber im deutschen Mittelstand auch wieder das TOP JOB-Siegel.

„Begeisterte Mitarbeiter und der Fokus auf kundenorientierte Innovationen bilden die Basis für unseren nachhaltigen Erfolg”, sagt Dr. Manfred Jagiella, Geschäftsführer von Endress+Hauser Conducta und Mitglied des Vorstands der Endress+Hauser Gruppe.

Der European Business Award wird seit 2007 in elf unterschiedlichen Kategorien verliehen. Die Jury, bestehend aus namhaften Vertretern aus Politik und Wirtschaft, bewertet die Innovationskraft, die ethische Ausrichtung, den wirtschaftlichen Erfolg sowie eine nachhaltige Unternehmensausrichtung, die flexibel auf dynamische Marktbedingungen reagiert.

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11. - 15. Juni 2018
Frankfurt am Main
Weltforum und Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

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Seminar: Messen, regeln, mischen und generieren von geringen Gasmengen

 

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7.Juni 2018

 

Sählihof, Riggenbachstrasse 8, Olten

Seminar: Messen, regeln, mischen und generieren von geringen Gasmengen

 

Veranstalter: Contrec AG

Tel 0447463220

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https://www.contrec.ch/seminar-gase-regeln

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3. und 4. Oktober, 2018
Expo Beaulieu Lausanne
für die frabzösischsprachige Schweiz
Platforme pour la chimie, la pharmacie et la biotechnologie

ilmac.ch/lausanne

 

IFAS 2018

 

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23.-26. Oktober 2018
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Fachmesse für den Gesundheitsmarkt

www.ifas-messe.ch