Analyse von strukturellen Veränderungen in Molekülen
Nanotechnologische Fortschritte und die Entwicklung immer kleinerer funktioneller Sonden waren wichtige Meilensteine in vielen Fachbereichen wie etwa der molekularen Diagnostik. Mikrocantilever (MC) wie auch mikroskopische Biegefedern, die derzeit in verschiedensten Konfigurationen je nach Anwendung eingesetzt werden, sind vor allem für die pharmazeutische Industrie interessant geworden. In mikroelektrochemischen Systemen (MEMS), die ein mechanische in elektrische Signale umwandeln, können MC-Sensoren physikalische, chemische oder biologische Veränderungen nachweisen, indem Biegefähigkeit oder Vibrationsfrequenz des Cantilevers verändert werden. Diese Art der Detektion erfolgt in Echtzeit und ist markierungsfrei, sensitiv und direkt. Die Forscher arbeiteten mit MC-Sensoren im Rahmen des EU-finanzierten Forschungsprojekts NASPE (Nanomechanical screening of pharmaceutical entities). Mit MC wurden energiebasierte mechanische Umwandlungen detektiert, die durch Interaktion oberflächengebundener Biomoleküle und Konformationsänderungen der Bindung entstehen. Das Team entwickelte Kunststoff-MC als ökonomische und robustere Alternative zu Silizium-MC (Si), die dann experimentell getestet wurden. Die Funktionalisierung von immobilisierten Rezeptormolekülen auf der Oberfläche zur Detektion spezifischer Analyte mittels eines patentierten Polymers konnte für Si- wie auch Kunststoff-MC bestätigt werden. In Feldstudien wurden Konformationsänderungen im Protein Beta-2-Mikroglobulin untersucht. Die Fehlfaltung von Beta-2-Mikroglobulin ist die Ursache für eine spezielle Art von Amyloidose (Einlagerung von Amyloidfibrillen in Organen), die mit Dialyse assoziiert wird. Recherchen mittels Si-MC in einer vorgescreenten Substanzbibliothek mit 200 Substanzen ergaben einen einzelnen "Hit", der das Protein stabilisieren und die Bildung von Fibrillen verhindern könnte. Die Studie lieferte als erste ihrer Art die Voraussetzungen, um die Bindung eines Wirkstoffs bzw. Niedermolekularen (LMW)-Liganden an ein Protein für die Wirkstoffforschung zu nutzen. Die Forschungsergebnisse von NASPE zeigen, wie groß das Potenzial von MC-Biosensoren für die Wirkstoffforschung ist, was die Spitzenstellung der EU in diesem Bereich stärken könnte. Weiterhin können auf MC-Basis pharmazeutische Kits entwickelt werden, die neue Therapien für viele pathologische Prozesse in Aussicht stellen, von denen Mio. Von Menschen betroffen sind.
