Hologramm für Moleküle

Im Blut oder Urin l?sst sich so einiges nachweisen: Viruskrankheiten, Stoffwechselst?rungen oder Autoimmunerkrankungen beispielsweise lassen sich mit Laboruntersuchungen diagnostizieren. Solche Untersuchungen dauern oft ein paar Stunden und sind ziemlich aufwendig, weshalb ?rzte die Proben spezialisierten Labors ¨¹bergeben.

Wissenschaftler der ETH Z¨¹rich und von der Firma Roche haben gemeinsam eine v?llig neuartige Analysemethode entwickelt, die auf Lichtbeugung an Molek¨¹len auf einem kleinen Chip basiert. Die Technik hat das Potenzial, die Diagnostik zu revolutionieren: ?rzte d¨¹rften damit in Zukunft komplexe Untersuchungen einfach und schnell direkt in ihrer Praxis durchf¨¹hren k?nnen.

Mit Laser-Licht direkt sichtbar gemacht

So wie andere etablierte Diagnoseverfahren nutzt auch die neue Methode das Schl¨¹ssel-Schloss-Prinzip der molekularen Erkennung: Um beispielsweise ein bestimmtes im Blut gel?stes Protein (?Schl¨¹ssel?) zu bestimmen, muss es an einen passenden Antik?rper (?Schloss?) andocken. W?hrend in etablierten immunologischen Testverfahren der ?Schl¨¹ssel im Schloss? mit einem zweiten, farbig markierten ?Schl¨¹ssel? sichtbar gemacht wird, ist dieser Schritt im neuen Verfahren nicht mehr n?tig: Mit Laser-Licht kann der ?Schl¨¹ssel im Schloss? direkt sichtbar gemacht werden.

Die Wissenschaftler nutzen dazu einen Chip, mit einer speziell beschichteten Oberfl?che: Es liegen darauf kleinste kreisf?rmige Punkte, die ein bestimmtes Streifenmuster aufweisen. Das fragliche Molek¨¹l haftet sich an die Streifen, jedoch nicht an die Zwischenr?ume zwischen den Streifen. Wird nun Laser-Licht der Chipoberfl?che entlanggef¨¹hrt, wird dieses wegen der speziellen Anordnung der Molek¨¹le im Muster gebeugt (abgelenkt) und auf einen Punkt unterhalb des Chips geb¨¹ndelt. Ein Lichtpunkt wird sichtbar. Geben die Wissenschaftler Proben ohne das fragliche Molek¨¹l auf den Chip, wird das Licht nicht gebeugt, und es ist kein Lichtpunkt sichtbar.

Zusammenspiel der Molek¨¹le

?Der Lichtpunkt ist ein Effekt des Zusammenspiels von hunderttausenden von Molek¨¹len in ihrer speziellen Anordnung?, sagt Christof Fattinger, Wissenschaftler bei Roche. ?Wie bei einem Hologramm wird dabei der Wellencharakter des Laser-Lichts gezielt genutzt.?

Janos V?r?s, Professor f¨¹r Bioelektronik an der ETH Z¨¹rich, vergleicht das Prinzip mit einem Orchester: ?Die Molek¨¹le sind die Musiker, das Streifenmuster ist der Dirigent. Er sorgt daf¨¹r, 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 f¨¹nf Jahren machte er ein Sabbatical in der Gruppe von ETH-Professor V?r?s. Aus der damals begonnenen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern von Roche und der ETH Z¨¹rich ist nun die praktische Umsetzung der Molografie entstanden.

Andere Molek¨¹le st?ren nicht

Ein wesentlicher Vorteil der neuen Methode: Das Signal (der Lichtpunkt) kommt nur aufgrund der sich spezifisch an das Mologramm heftenden Molek¨¹le zustande. Weitere in einer Probe vorhandene Molek¨¹le erzeugen kein Signal. Die Methode ist daher wesentlich schneller als bisherige, auf dem Schl¨¹ssel-Schloss-Prinzip beruhende Analysemethoden. Bei letzteren m¨¹ssen weitere in einer Probe vorhandene Molek¨¹le weggewaschen werden, was die Diagnose verlangsamt und verkompliziert. Die neue Methode eignet sich deshalb hervorragend zur Messung von Proteinen in Blut oder anderen K?rperfl¨¹ssigkeiten.

?Wir rechnen damit, dass dank dieser Technologie k¨¹nftig mehr Laboruntersuchungen direkt in Arztpraxen statt in spezialisierten Labors durchgef¨¹hrt werden. Und in ferner Zukunft benutzen Patienten die Technik vielleicht sogar zu Hause?, sagt ETH-Professor V?r?s.

Grosses Potenzial

Auf einem kleinen Chip sind mehrere Mologramme angeordnet. In der derzeitigen Ausf¨¹hrung messen 40 Mologramme dasselbe Molek¨¹l. In Zukunft k?nnte es allerdings m?glich werden, auf einem Chip 40 oder noch mehr unterschiedliche Biomarker gleichzeitig zu messen.

Die Anwendungsm?glichkeiten der neuen Technik sind immens. So k?nnte sie ¨¹berall dort zum Einsatz kommen, wo man die Wechselwirkung zwischen Molek¨¹len erkennen und untersuchen m?chte. Die Methode ist so schnell, dass sie sich sogar f¨¹r Echtzeitmessungen eignet. Dies ist f¨¹r die biologische Grundlagenforschung interessant: Es kann damit beispielsweise untersucht werden, wie schnell sich ein biochemisches Molek¨¹l an ein anderes heftet. Die Qualit?tskontrolle bei der Trinkwasseraufbereitung oder die Prozess¨¹berwachung in der biotechnologischen Industrie w?ren weitere Anwendungen.

Mit Hochdruck zur Marktreife

?Dass wir die Idee erfolgreich in die Praxis umsetzen konnten, h?ngt wesentlich damit zusammen, dass unser Projektteam interdisziplin?r war?, sagt V?r?s. An der Arbeit beteiligt waren unter anderem Experten in Fotochemie, Chipherstellung und f¨¹r Oberfl?chenbeschichtung. F¨¹r das Mologramm nutzen die Wissenschaftler auch spezielle Beschichtungspolymere, die unl?ngst im Labor von ETH-Professor Nicholas Spencer entwickelt wurden (ETH News berichtete). ?Ohne diese Polymere und ohne die Zusammenarbeit mit Janos V?r?s w?ren wir noch lange nicht am Ziel?, sagt Fattinger.

Um die Methode weiterzuentwickeln, wird die Zusammenarbeit von Roche und der ETH Z¨¹rich weitergehen. In der Gruppe von ETH-Professor V?r?s arbeiten mehrere Wissenschaftler und Doktoranden auf dem Projekt. Auch haben die ETH Z¨¹rich und Roche vor, verschiedene Vermarktungsm?glichkeiten f¨¹r Anwendungen der Methode auszuloten.