Biochip für die Massenanalyse von Erbmolekülen

Siemens hat in Zusammenarbeit mit vier Partnern einen Biochip für die rasche und gleichzeitige Analyse von 128 Proben des Erbmoleküls DNS entwickelt.

Im Rahmen des vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekts Sibanat (Silizium-Chipsystem für die biochemische Analysentechnik) gelang die Herstellung eines miniaturisierten Auswertesystems, das mit elektrischen Signalen arbeitet. Diese Technik, bei der Siemens-Forscher in Erlangen mit dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie in Itzehoe, dem Erlanger Biotech-Unternehmen november, dem Hamburger Laborgerätehersteller Eppendorf und dem Chip-Hersteller Infineon Technologies kooperierten, ist wesentlich schneller, robuster, einfacher und billiger als bisherige optische Verfahren.

Die Technik erschließt völlig neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin und Umwelttechnik. Heute müssen DNS-Tests in Großlabors mit aufwändigen Analysegeräten gemacht werden, was teuer ist und mehrere Tage dauern kann. Künftig könnten diese Tests als Reihenuntersuchung in einem tragbaren Minilabor innerhalb weniger Stunden stattfinden, wobei das eigentliche Messsystem nur halb so groß wie ein Fingernagel ist und auf einer Platte von der Größe einer Chipkarte sitzt. Die Partner haben einen Demonstrator gebaut. In ersten Versuchen haben sie Viren-DNS unterschieden. Als Modell wählten sie dabei menschliche Papillomaviren (HPV), die für die Entstehung von Gebär-mutterhalskrebs verantwortlich gemacht werden. Das System ist aber variabel, je nach Ausgestaltung kann es beliebige DNS-Proben untersuchen.

Von Infineon stammt der in CMOS-Technik gefertigte Silizium-Chip mit Goldelektroden, auf dem jedes Pixel einzeln ausgelesen werden kann. november lieferte die biochemische Technik, Eppendorf die Technik zur Vorbereitung der Proben. Siemens entwickelte ein Auslesegerät sowie die Ver-fahrenstechnik, und ist für die Zusammenführung der Teile des Systems verantwortlich. Die „Pixel“ auf dem Silizium-Chip bestehen aus 128 Sensoren mit je etwa einem Zehntel Millimeter Durchmesser. Auf jedem dieser Sensoren sind Halbstränge einer bekannten DNS befestigt. Die zu Halbsträngen aufbereitete Probe aus unbekannter DNS wird über den Chip gespült, wobei sich passende DNS-Fragmente mit jenen auf dem Chip zu Doppelsträngen verbinden. Mit Hilfe eines Enzyms werden genau die Pixel elektrisch aktiv, an denen sich ein Doppelstrang gebildet hat. Dabei fließen Ströme in der Größenordnung von Milliardstel Ampère. Da genau festgelegt ist, an welcher Position welche Test-DNS sitzt, kann genau ermittelt werden, welche DNS in der Probe war. Das Projekt Sibanat endet zum 31. März 2003. Das Forscherteam erhielt für die Innovation den diesjährigen Jack Raper Award, der auf der bedeutendsten Konferenz für Mikroelektronik in San Francisco verliehen wurde.