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Nano-OptoMechanical Systems for Biological Sensors

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Mit Biosensor-Resonatoren gegen die Verschwendung von Antibiotika

Eine Möglichkeit, den endlosen Wettlauf gegen mikrobielle Resistenzen zu gewinnen, ist die schnelle und genaue Identifizierung von Mikroben mit entsprechender antibiotischer Therapie. Bislang dauern Nachweismethoden noch mehrere Tage, und die spezifische Bestimmung wirksamer Medikamente oder Resistenzen sogar noch länger. Ein Marie-Skłodowska-Curie-Projekt könnte dem nun Abhilfe schaffen.

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Das EU-finanzierte Projekt NOMBIS entwickelte nano-optomechanische Plattenresonatoren (siehe Foto: Platte mit einzelnem Bakterium) zur Früherkennung infektiöser Krankheitserreger. Diese Systeme können mit extrem hoher Empfindlichkeit für zahlreiche chemische oder biomolekulare Sensoren konfiguriert werden.

Gewichtsmessungen bei DNA und RNA: deutlich einfacherer Nachweis von Mikroben

„Mit nano-optomechanischen Plattenresonatoren für die Biosensorik gelang uns in Flüssigkeiten der hochempfindliche und ultraschnelle Nachweis von Biomolekülen mit einer Massenauflösung im Zeptogrammbereich“, erläutert Projektkoordinator Dr. Eduardo Gil-Santos. Ein Zeptogramm entspricht dem äußerst niedrigen Gewicht von einem Trilliardstel Gramm. Nun entwickelten die Forscher von NOMBIS Arrays mit Hunderten von Microdrum-Bausteinen pro Chip. Auf diese Weise können DNA-Stränge gewogen werden, die zu denen auf der Microdrum-Oberfläche immobilisierten Strängen komplementär sind. Damit lassen sich in einer Blutprobe nicht nur verschiedene Krankheitserreger identifizieren, sondern anhand von Mutationen auch Antibiotikaresistenzen. Besonders schwierig war der Nachweis von Bakterien auf Basis des ribosomalen RNA-Gens 16S, die detektiert werden können, weil Bakterien unterschiedliche Kopiezahlen dieses Gens besitzen. „Nano-optomechanische Plattenresonatoren eignen sich hervorragend für den Nachweis einzelner intakter lebender Bakterien“, erklärt Dr. Gil-Santos. Damit wird nicht nur deren Masse quantifiziert, sondern es können auch die intrinsischen mechanischen Resonanzen von Bakterien nachgewiesen werden – ein eindeutiges Signal für die Identifizierung. Schwerpunkt der Forscher waren Bakterien, die häufig Sepsis auslösen. Eine verzögerte Behandlung kann hier zu Septikämie und Organversagen führen. „Getestet haben wir unsere Systeme an den beiden häufigen Krankheitserregern Staphylococcus epidermidis und Escherichia coli“, erklärt Dr. Gil-Santos weiter. Die Bakterien gehören zur gesunden menschlichen Flora und lösen nur bei immungeschwächten Patienten Krankheiten aus.

Schwieriger Nachweis von Massen unter einem Zeptogramm

Eine wesentliche Voraussetzung für den Nachweis sind ähnliche Resonanzfrequenzen bei Sensor und Analytmodus. „Daher mussten wir viele Plattenresonatoren generieren und die Maße verändern, bis wir die richtigen Frequenzen hatten, um diese dann mit den Frequenzen der Analyte abzugleichen“, erklärt Dr. Gil-Santos. Da das Testen mit den Systemen effizient sein muss, entwickelte die Forschergruppe ein System zur Abscheidung von Krankheitserregern. Auf diese Weise können die einzelnen Analyten mit Mikrometergenauigkeit in den Sensoren platziert werden. Künftige Vermarktung Für eine Etablierung der mechanischen Spektroskopie als Referenztechnologie in der Biomedizin ist nicht nur der Nachweis einzelner Modi, sondern des gesamten mechanischen Spektrums von Analyten Voraussetzung, idealerweise unter physiologischen Bedingungen. Und er erläutert diese Voraussetzungen für die bahnbrechende Technologie: „Bisherige Entwicklungen haben gezeigt, dass mechanische Sensoren einzelne mechanische Modi der Analyte in der Luft messen können, aber dies wurde bislang weder entwickelt noch umgesetzt.“ Das Team will seine mechanische Spektroskopie nun mit einem Starting Grant des Europäischen Forschungsrates weiterentwickeln, und die Projektforscher legten ein internationales Patent vor. „Derzeit suchen wir nach Unternehmen, die die Idee kommerziell umsetzen. Das Konzept ist jedoch so neu, dass weitere Entwicklungsarbeit für die gesamte Umsetzung nötig ist“, betont Dr. Gil-Santos. Letztlich soll Spektroskopie den Nachweis von Krankheitserregern vereinfachen und deren mechanische wie auch morphologische Eigenschaften mit höchster Genauigkeit in Echtzeit überwachen. Die Technik wird nicht nur Menschenleben retten und derzeitige Therapien beschleunigen, sondern auch die Wirkstoffforschung beflügeln.

Schlüsselbegriffe

NOMBIS, mechanisch, Nachweis, Bakterien, Krankheitserreger, nano-optomechanischer Plattenresonator, Sensor, Mikrobe, RNA, Biomolekül, Gen, mechanische Spektroskopie

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