Hologramm für Moleküle

  • 27. September 2017

Neue optische Methode der fokalen Molografie für eine schnellere Diagnostik.

Im Blut oder Urin lassen sich Virus­krankheiten, Stoffwechsel­störungen oder Autoimmun­erkran­kungen 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.

Abb.: Ein Forscher pipettiert eine Probe auf einen Molografie-Chip in den Labors der ETH Zürich. (Bild: ETHZ, A. Frutiger)

Abb.: Ein Forscher pipettiert eine Probe auf einen Molografie-Chip in den Labors der ETH Zürich. (Bild: ETHZ, A. Frutiger)

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 zu bestimmen, muss es an einen passenden Anti­körper 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 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.

„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, ETHZ-Professor für Bioelek­tronik, 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“, eine Kurzform für mole­kulares Holo­gramm, die neue Diagnose­technik fokale Molo­grafie. Roche-Wissen­schaftler Fattinger hat das neue Prinzip erfunden und dessen theo­retischen Grund­lagen erarbeitet. 

Abb.: 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. (Bild: Gatterdam et al., NPG)

Abb.: 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. (Bild: Gatterdam et al., NPG)

Ein wesent­licher Vorteil der neuen Methode: Das Signal des Licht­punkts 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 Vörös.

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 beispiels­weise 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.

„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 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.

ETHZ / JOL

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