Gleichzeitig sollen sie spezifisch und in Echtzeit selbst schwer zu diagnostizierenden 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.
MEDICA.de; Quelle: Fraunhofer ISC
