Mit Biochip-Readern den Genen auf der Spur

Ob Lebensmittel auf gentechnisch veränderte Inhaltstoffe, Blutkonserven auf HIV, Menschen auf bestimmte Krankheiten oder Gene auf ihre Funktion hin untersucht werden – immer häufiger kommen Biochips zum Einsatz. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg entwickeln optische Lesegeräte für die Chips. Mit kompakten Readern soll die Biochip-Technologie beispielsweise Einzug in der Arztpraxis halten, mit dem Ziel Infektionskrankheiten zuverlässig zu diagnostizieren. Der neueste Reader BCR 401, ein komplexes Gerät für die Forschung, trägt dazu bei, dass die Biochips bei der Herstellung optimiert werden. Auf der Biotechnica in Hannover (09.-11. Oktober) wird das Gerät vorgestellt.

Die Entschlüsselung des menschlichen Erbguts macht das Jahr 2001 zum »Jahr der Lebenswissenschaften«. Für die Forscher geht nun die Suche nach der Wirkung der einzelnen Gene erst richtig los. Sie setzen die neuesten Erkenntnisse ein, um Krankheiten auf die Spur zu kommen. Neben der Medizin spielt die DNA-Analytik in der Lebensmittel- und der Umweltkontrolle eine bedeutende Rolle. Mit Biochips – das sind besonders bearbeitete Objektträger – ist es möglich, eine große Zahl von DNA-Sequenzen schnell zu bestimmen.

Das Prinzip einer Biochip-Analyse ist einfach: Will man beispielsweise überprüfen, ob Lebensmittel Bestandteile von gentechnisch veränderten Tomaten enthalten, werden typische Gensequenzen auf der Oberfläche des Chips verankert. Sie dienen als Sonden. Danach werden die mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Proben eines Lebensmittels auf den Chip gegeben. Ein DNA-Strang aus der Probe bleibt nur haften, wenn sich seine Erbinformation mit der DNA-Sonde ergänzt. Passen Sonde und Proben-DNA zueinander, verbinden sie sich fest miteinander. Der Biochip-Reader wertet dann die Chips aus. Über den an der Proben-DNA haftenden Fluoreszenzfarbstoff kann die Verbindung sichtbar gemacht werden. Dazu regt ein in dem Reader integrierter Laser die Farbstoffe zum Leuchten an. Eine Kamera nimmt dann diese Lichtpunkte auf. Je größer die Konzentration der gesuchten Erbsubstanz in der Probe war, desto intensiver ist auch die Strahlung. Das bedeutet in unserem Fall, der Biochip-Reader ermittelt, ob und in welcher Konzentration das Lebensmittel genmanipulierte Tomaten enthält.

Wird diese Technik auf die Medizin übertragen, eröffnen sich neue Visionen: Der behandelnde Arzt untersucht direkt vor Ort mit einem Biochip eine Blutprobe auf bestimmte Viren oder Bakterien und kann sofort eine genaue und umfassende Diagnose erstellen. Um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen, arbeiten Fraunhofer Forscher daran, einfache aber zuverlässige Reader-Systeme noch kompakter zu fertigen. Beim Einsatz in der Arztpraxis müssen die Ergebnisse sehr verlässlich sein, da eine Fehldiagnose möglicherweise weitreichende Folgen hat. Auch wenn das Prinzip für die Analyse mit Biochips einfach ist, ist noch ein langer Weg zurückzulegen, bis die praktischen Glasplättchen ein Großraumlabor tatsächlich ersetzen können.

Die Verbindung von Proben-DNA und Sonden-DNA gelingt am besten bei einer bestimmten Temperatur. Auch die Lösung, in der die Probe auf den Biochip gebracht wird, hat entscheidenden Einfluss darauf, wie zuverlässig die gesuchte Erbsubstanz auf dem Biochip haftet. Mit dem vom Fraunhofer IPM entwickelten Biochip-Reader BCR 401 lässt sich die Bindungs- und Ablösungsreaktion zwischen Sonden- und Proben-DNA direkt verfolgen. So ermöglicht das Gerät, für jeden Biochip-Typ die optimale »Arbeits-Temperatur« zu ermitteln. Darüber hinaus kann mit dem Gerät das Rezept für die Lösungsflüssigkeit so abgestimmt werden, dass die Ergebnisse im Anwendungsfall aussagekräftig sind. »Mit unseren Readern machen wir möglich, dass die Biochip-Technologie Eingang in die Arztpraxis findet und dort für eine noch verlässlichere Diagnostik sorgt«, so Dr. Albrecht Brandenburg, Leiter der Abteilung Biophotonik und Integrierte Optik bei Fraunhofer IPM.

Auf der Biotechnica in Hannover finden Sie die Fraunhofer-Institute in Halle 2, A 18 unter anderem mit folgenden Themen: Molekulares Farming, Produktion rekombinanter Proteine, Molekulare Biotechnologie, Gen- und Proteinexpression in tierischem und menschlichem Gewebe, individualisierte Arzneimitteltherapie und Tumortherapie.