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Biotoxine : Mit Strichcodes gegen Erreger

Der Milzbranderreger - rasch nachgewiesen dank Nanotechnologie Bild: AP

Mit Hilfe nur mikrometergroßer Gold- und Silbernadeln als Biosensoren sollen biologische Waffen wie Anthrax- und Pockenerreger oder Biotoxine schon vor Ort eindeutig nachgewiesen werden können.

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          Will man biologische Waffen wie Anthrax- und Pockenerreger oder Biotoxine bereits vor Ort eindeutig nachweisen, benötigt man empfindliche und tragbare Detektorsysteme, die schnell und zuverlässig arbeiten. Darüber hinaus sollen die Geräte mehrere Erreger oder Stoffe gleichzeitig identifizieren können, was nur schwer zu verwirklichen ist. Einen empfindlichen Sensor, der offenkundig alle diese Voraussetzungen erfüllt, haben nun Forscher vom Lawrence Livermore National Laboratory in Berkeley entwickelt.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Dreh- und Angelpunkt des Verfahrens sind 250 Nanometer dicke und sechs Mikrometer lange Nadeln, die aus vielen kurzen Abschnitten von Gold und Silber bestehen. Durch die Reihenfolge der Metallsegmente ergeben sich verschiedene Streifenmuster. Da Gold und Silber unterschiedliche Reflexionsvermögen besitzen, lassen sich die Nadeln wie Strichcodes eindeutig identifizieren, wenn man sie mit sichtbarem Licht bestrahlt. Schon mit zwei Edelmetallen kann man eine Reihe von Streifenmuster erzeugen.

          Bestrahlung mit ultraviolettem Licht

          Für den Nachweis von Pathogenen überzieht man die Nadeln mit Antikörpern, an die die Antigene der Erreger andocken, falls diese sich in der zu untersuchenden Probe befinden. Bei der Beschichtung ist darauf zu achten, daß auf den Nadeln mit denselben Streifenmustern jeweils die gleiche Art von Antikörper sitzt. Ist die Reaktion erfolgt, werden fluoreszierende Antikörper hinzugegeben, die sich mit den Antigenen verbinden.

          Bestrahlt man nun die Nadeln mit ultraviolettem Licht, leuchten sie samt der Erreger auf. Aus der Stärke des Leuchtsignals läßt sich auf die Menge der in der Probe vorhandenen Erreger schließen. Mißt man gleichzeitig das Reflexionsmuster der leuchtenden Nadeln, erkennt man zudem die Art der Erreger. Das ist die Stärke des neuartigen Verfahrens.

          Antigene der Biopräparate

          Die Wissenschaftler um Jeffrey Tok haben ihre Methode an drei verschiedenen Biopräparaten getestet, die mit Anthrax-Sporen, Pocken-Viren und mit toxischen Proteinen wie Rizin und Botulinumtoxin verwandt sind. Die drei Proben - Bacillus globigii, RNS-Bakteriophagen vom Typ MS2 und das Protein Ovalbumin - reagieren zwar wie die gefährlichen Erreger mit den entsprechenden Antikörpern, sie sind aber anders als diese völlig harmlos.

          Da nur drei Antigene nachzuweisen waren, verwendeten Tok und seine Kollegen auch nur drei Typen von Metallnadeln. Jede Sorte wurde mit einem anderen Antikörper beschichtet und in eine Lösung gegeben, in der sich die Antigene der Biopräparate befanden. Anschließend mischte man drei verschiedene Antikörper bei, die mit fluoreszierenden Molekülen versehen waren.

          Billionstel Gramm noch nachweisbar

          Die Fluoreszenzsignale und die Reflexionsmessungen lieferten schließlich ein überzeugendes Ergebnis. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ (Early Edition) berichten, ließen sich in der Probe alle drei Modellerreger eindeutig nachweisen und deren Konzentrationen bestimmen.

          Das Verfahren erwies sich als so empfindlich, daß noch Mengen von wenigen Billionstel Gramm in einem Milliliter Lösung registriert werden konnte, wodurch es nach Meinung der Forscher durchaus mit den etablierten Nachweistechniken konkurrieren kann. Wurde die Konzentration eines Präparats erhöht, zeigte sich das augenblicklich in einem stärkeren Fluoreszenzsignal.

          Viren messen wenige Nanometer

          Da der Nachweis der Krankheitserreger nicht an einer Oberfläche abläuft wie bei den meisten Meßverfahren, sondern in einer flüssigen Umgebung, ist er nach Aussagen der Forscher schneller und effizienter. Zudem lassen sich mikrometergroße Bakterien ebenso zuverlässig erfassen wie Viren und Proteine, die nur wenige Nanometer messen.

          Die Partikeln aus Gold und Silbersegmenten haben noch einen weiteren Vorteil. Sie lassen sich mit einem Magnetfeld abtrennen. Dazu müssen die Enden der Nadeln lediglich mit magnetischen Nickelstreifen versehen werden. Einem magnetischen Feld ausgesetzt, lagern sich die winzigen Sensoren zusammen. Dadurch können sie recht leicht aus der Probe herausgefiltert und für weitere Untersuchungen genutzt werden.

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