Viren-Diagnostik

Bald Viren-Diagnostik per Chip?

Israelische Forscher entwickeln hochempfindliche elektronische Detektion von viralen Nukleinsäuren

In der Lebensmittelkontrolle und der medizinischen Diagnostik möchte man Proben zuverlässig aber mit hohem Durchsatz auf viele Krankheitserreger untersuchen. Dazu wird an der Entwicklung von DNA-Chips gearbeitet, die Keime anhand ihres Erbgutes entlarven. Die Schwierigkeit dabei: Die Analytik muss auf einer festen Oberfläche ablaufen, braucht wegen der winzigen Konzentrationen einen Verstärkungsschritt und eine Übersetzung in ein einfach messbares Signal – und soll möglichst eine Quantifizierung zulassen. Israelische Forscher um Itamar Willner und Moshe Kotler haben eine pfiffige Methode entwickelt, mit der die Anwesenheit von Viren als elektrisches Signal angezeigt wird. „Unser neuer Ansatz ist für eine breite Anwendung in Biochip-Techniken geeignet,“ zeigt sich Willner optimistisch.

Herz der Detektionseinheit ist ein elektrischer Signalwandler – eine winzige Elektrode oder ein piezoelektrischer Kristall – mit Goldoberfläche, auf der kurze Nukleinsäurestränge verankert werden. Die Stränge sind das Gegenstück zu einer spezifischen Sequenz, die nur in der Nukleinsäure der jeweils gesuchten Virenspezies auftritt. Sind diese Viren in einer Probe, bleiben ihre Nukleinsäuren an den Strängen kleben wie an einer Leimrute. Nun wird ein Enzym in Aktion gesetzt, das die kurzen „Leimruten“ entlang der Virus-Nukleinsäure wie an einer Blaupause zu einem fast kompletten Gegenstück vervollständigt. Ein Teil der dazu verwendeten Bausteine wurde zuvor mit einer zusätzlichen molekularen „Anhängerkupplung“ versehen. Im nächsten Schritt dockt der passende „Anhänger“ an. Aber auch er kommt nicht allein, sondern wurde voher mit dem Enzym Alkalische Phosphatase zusammengeschweißt. Auf diese Weise hängen nun viele Phosphatasen an der Detektionseinheit (erster Verstärkungsschritt). Als Substrat für die Phosphatase haben die Forscher eine lösliche Indigo-Verbindung gewählt. Sobald die Phosphatase zur Tat schreitet und eine Phosphatgruppe abspaltet, wird das Indigo unlöslich und schlägt sich auf dem Detektor nieder (zweiter Verstärkungsschritt). Nun folgt die Signalwandlung. Zwei Alternativen haben sich die Chemiker überlegt: Basiert der Mini-Detektor auf einer Mikroelektrode, kann man messen, wie die entstehende Schicht den Elektronentransfer behindert. Wählt man dagegen einen piezoelektrischen Kristall als Träger, lässt sich die Massenzunahme der Schicht registrieren, da die Schwingungsfrequenz des Kristalls massenabhängig ist. Dicke und Masse der Schicht wiederum sind abhängig von der Virenkonzentration der Probe, so ist eine quantitative Bestimmung möglich. Die kleinste auf diese Weise registrierte Konzentration waren 60 Viren in einem 10-µl-Tröpfchen.

Kontakt:
Prof. I. Willner
Institute of Chemistry
The Hebrew University
of Jerusalem
Jerusalem 91904
Israel
Fax: (+972) 2-6527715
E-mail:willnea@vms.huji.ac.il