Vom Urinkosten zum Bio-Chip
Frieder W. Scheller
Professur für Analytische Biochemie,
Institut für Biochemie & Molekulare Physiologie, Universität Potsdam
BioHytech Potsdam / Luckenwalde
Das
vierte Leibnizkolleg befaßt sich mit molekularen Werkzeugen und Maschinen
an der Schnittstelle zwischen Physik und Biologie.
Die
lebende Zelle besitzt eine Vielzahl von Funktionseinheiten , die durch die
Wechselwirkung mit der Umgebung in der Evolution optimiert wurden. Eine der
hervorstechenden Leistungen ist die hohe Empfindlichkeit und Trennschärfe
bei der Erkennung chemischer Substanzen. Die molekularen Grundlagen
dafür liegen in der ausgefeilten strukturellen Paßfähigkeit für das
"Signalmolekül" und die angekoppelten Verstärkung des
"Eingangssignals".
Neben
dem Erfassen von "Schwellwerten" erfolgt auch häufig eine
quantitative Bewertung des Signals.
In der
Zelle erfolgen weiterhin eine chemische Umsetzung aber auch der mechanische
Transport, d.h. das Manipulieren einzelner Moleküle. Die Natur bietet damit
originelle Prinzipien und Maschinen auf molekularem Niveau für die
technologische Nutzung der Funktionskette
Erkennen
– Zählen – Manipulieren.
Die
beiden Funktionen der Sinnesorgane, Erkennen und Zählen
(Quantifizieren) sind die Grundoperationen der Analytischen Chemie.
Das
hochempfindliche Erfassen giftiger Substanzen ist eine wichtige Aufgabe in
der Umwelt- und Lebensmittelüberwachung. Zur Diagnose von Erkrankungen
bestimmt der Arzt "Markersubstanzen", z.B. den Blutzucker und das
Insulin bei der "Volksseuche" Diabetes.
Seit
altersher setzt der Mensch seine Sinnesorgane, wie Geschmack und Geruch, zur
Erkennung solcher Substanzen ein. So war es im Mittelalter ein geübter
Brauch, daß der Arzt den Urin des Patienten nicht nur beschaute, sondern
gegebenenfalls auch kostete.
Mit der
Entwicklung der Chemie standen zu Beginn des 20. Jahrhunderts empfindliche
Reagenzien zur Verfügung, z.B. für die Blutzuckerbestimmung. Im Vortrag
wird dazu die Entfärbung einer blauen Flasche durch Zucker demonstriert.
Aber
erst die Nutzung biologischer Erkennungssubstanzen brachte den Durchbruch in
der Klinischen Chemie und in der Umweltanalytik. Stoffwechselprodukte, wie
Glucose, und Gifte, z.B. Nervengifte, können mit Enzymen
hochspezifisch erfaßt werden. Als Beispiel wird die einfache Messung von
Blutzucker mit einem Biosensor-Gerät demonstriert.
Für die
Spurenanalytik, z.B. in Trinkwasser, reicht das Potenzial von Enzymen nicht
mehr aus. Hier greift der Bioanalytiker auf Antikörper zurück. In
einem Video wird der Bindungsvorgang bei einem Immunosensor dargestellt und
mit einem "Wischsensor" ein Koffer auf Kokainspuren
überprüft.
Die
bevorstehende Aufklärung der menschlichen Erbinformation hat das
öffentliche Interesse auf das Gebiet der Nukleinsäureanalytik gelenkt.
Für diesen Bereich wird eine zur Mikroelektronik vergleichbare Bedeutung
prognostiziert. Im Vortrag werden die Grundlagen für den DNA-Chip
erläutert und ein neuartiger Chip-Analysator vorgestellt.
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