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ERC Storys - Zucker ist die Lösung – Analyse von Zuckermolekülen zur Diagnose von Krankheiten

In Bratislava entwickelt ein Forscherteam um Dr. Ján Tkáč mit Fördermitteln des Europäischen Forschungsrates (dem nun erstmals auch von der Slowakischen Republik eingeworbenen ERC Grant) neue Früherkennungstechnologien für den "kalten Krieg" der Zellen. Glykane sind Zuckermoleküle und tragen all jene Informationen, die gesunde menschliche Zellen für die Abwehr von Infektionserregern brauchen. Dieses mit vielen Informationen und ausgeklügelten Speicher- und Kodierungsbefehlen ausgestattete Frühwarnsystem hat die Aufgabe, bei ersten Anzeichen einer Infektion die körpereigene Immunabwehr in Gang zu setzen. So verwundert es auch nicht, dass Infektionserreger (Bakterien und Viren) wie auch krankhafte zellinterne Vorgänge (aus denen z.B. Krebszellen entstehen) alles daran setzen, dem wachsamen Auge des Immunsystems zu entgehen. HI-Viren zum Beispiel entschlüsseln den molekularen Code von Glykanen, stehlen damit ihre Identität und setzen vom Immunsystem unerkannt den Infektionsprozess fort, bis dieser nicht mehr aufzuhalten ist.
Am Institut für Chemie der Slowakischen Akademie der Wissenschaften kombinieren die Forscher um Ján Tkáč Glykomik (die Erforschung von Zuckerverbindungen in Organismen) mit Biochip-Sensoren, die auf Basis von Nanopartikeln und Nanoröhrchen funktionieren. Die Komplexität der Zuckermoleküle, so Dr. Tkáč, war eine der bislang größten Hürden in der Glykomik, die inzwischen zu den wachstumsstärksten wissenschaftlichen Disziplinen zählt. "Die Forschungen sind enorm wichtig, da man erkannt hat, dass Glykane in vieler Hinsicht entscheidend die Zellphysiologie und Pathologie beeinflussen", erklärt Dr. Tkáč. "Hier am Institut war die Freude groß über die Zuerkennung des ERC Grants. Nach dem lang ersehnten Infrastrukturausbau, der auch von der EU gefördert wurde, gewährt der Fünf-Jahres-Förderpreis für Pionierforschung nun die langfristige Stabilität, die wir für unser Nachwuchsforscherteam und den Ausbau von Forschungsexzellenz in der Glykomik brauchen". Mit dem ERC Grant holte Dr. Tkáč vier Doktoranden und einen Postdoktoranden in sein Forscherteam.

Biochips als Frühwarnsystem

Im Rahmen des Projekts ELENA entwickelt Ján Tkáčs Forscherteam innovative Biochips, mit denen Veränderungen bei der Glykosylierung erkannt werden können, d.h. der Bindung von Glykanen an Proteine oder andere organische Moleküle, und die auch Hinweise auf Krankheiten wie Krebs liefern. Der typische Biochip von ELENA basiert auf einem goldbeschichteten Glassubstrat, dessen Oberfläche mit Nanopartikeln sowie einer Schicht aus Lektin (Glykan, das Proteine erkennt) bestückt ist. Nach Inkubation der Probe wird eine Glykoproteinschicht auf das Lektin aufgebracht. Über Veränderungen des elektrischen Widerstands der Biochip-Einheit werden dann Interaktionen zwischen Lektin- und Glykoproteinschichten ermittelt. "Besonders wichtig ist die Größe der Nanopartikel", erklärt Dr. Tkáč. "Sie sind klein genug, um Interaktionen auf Zell- und Molekülebene darzustellen, und verbessern damit deutlich die Nachweisgrenze."

"Die Sensitivität der ersten Nano-Biochips von ELENA ist um eine Million bis eine Milliarde höher ist als bei den technisch ausgereiftesten Fluoreszenz-Biochips. So können Krankheiten sehr viel eher erkannt und damit künftig auch wirksamer behandelt werden", wie er erklärt. "Die neuen Biochips sind empfindlicher und damit zugleich kleiner, was völlig neue Wege für Messungen am lebenden Organismus eröffnet, wenn der Biochip in den Patienten eingebracht wird. Mit der Technologie könnten Pathogene identifiziert werden, die sich gut tarnen, um von der körpereigenen Abwehr nicht erkannt und eliminiert zu werden, wie dies etwa bei bestimmten Krebszellen der Fall ist."

Neben sensitiveren und schnelleren Nachweismethoden entwickelt ELENA auch Nano-Biochips, die zuverlässiger arbeiten. Derzeitige Labormethoden verwenden "Markierungen", um Interaktionen darzustellen – etwa Fluoreszenzfärbung. Diese können aber die lokale Umgebung und Eigenschaften von Proteinen und Glykanmolekülen so beeinflussen, dass die Ergebnisse verfälscht werden. "Unsere Technologie misst den elektrischen Widerstand und kann damit auf solche Markierungen verzichten'. So können wir die Interaktion auf eine natürlichere Weise beobachten, die näher am Organismus ist und neben schnelleren und sensitiveren auch zuverlässigere Messungen ermöglicht", erläutert Dr. Tkáč.

Die Forschungsinfrastrukturen in der Slowakischen Republik werden auf Weltklasseniveau ausgebaut, wie Dr. Tkáč weiter ausführt. Er ist davon überzeugt, dass dies zusammen mit dem ERC Grant der Abwanderung von Wissenschaftlern und Fachkräften entgegenwirken kann und die Slowakische Republik als Forschungsstandort für hochqualifizierte Forscher attraktiver macht.

- Quelle: Dr. Ján Tkáč
- Projektkoordinator: Institute of Chemistry, Slovak Academy of Sciences
- Projekttitel: Electrochemical LEctin and glycan biochips integrated with Nanostructures
- Projektakronym: ELENA
- ELENA Projektwebsite
- RP7 Finanzierungsprogramm (ERC-Aufforderung): Starting Grant 2012
- Finanzmittel der EK: 1 155 970 EUR
- Projektdauer: 5 Jahre

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