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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