Sensorchip soll in mobilen Diagnosegeräten eingesetzt werden

DNS-Test am Nanoröhrchen: Auf der der Oberfläche des Kohlenstoffröhrchens fixieren die Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung einzelne Stränge einer gesuchten Erbsubstanz. Daran lagern sich die passenden DNS-Stücke (gelb) aus der Probe und verändern die Leitfähigkeit des Nanoröhrchens. Diese Änderung der Leitfähigkeit lässt sich über die beiden Elektroden messen, die das Röhrchen überbrückt.

Dr. Kannan Balasubramanian
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung , Stuttgart
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Fax: +49 711 689-1662
E-Mail: b.kannan [a] fkf.mpg (p) de

Tetiana Kurkina
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung , Stuttgart
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Fax: +49 711 689-1662
E-Mail: t.kurkina [a] fkf.mpg (p) de

Tetiana Kurkina, Alexis Vlandas, Ashraf Ahmad, Klaus Kern, und Kannan Balasubramanian
Label-Free Detection of Few Copies of DNA with Carbon Nanotube Impedance Biosensors
18. März 2011; DOI: 10.1002/anie.201006806

Mit neuen Sensoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben Forscher des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung winzige Spuren der Erbsubstanz DNS nachgewiesen. Weil die Sensoren auf spezifische DNS-Sequenzen ansprechen, lassen sie sich prinzipiell für die schnelle Untersuchung von Blutproben verwenden. Der Nachweis von DNS ist notwendig, um unterschiedliche Krankheiten wie Infektionen durch Viren oder Mikroben zu diagnostizieren. Die Nanosensoren der Stuttgarter Wissenschaftler sind so empfindlich, dass die DNS anders als bislang nicht mehr zeitaufwendig aufkonzentriert oder markiert werden muss. Die Forscher haben eine Routinemethode für die Herstellung ihrer Nanosensoren entwickelt, die prinzipiell eine schnelle Serienfertigung ermöglicht. Das Endprodukt könnte ein handygroßer Analyseapparat sein, der sich im Feld, etwa in einem von einer Epidemie betroffenen Gebiet, einsetzen ließe.

Wer während der Schweinegrippe-Epidemie im Krankenhaus eine leichte Erkältung oder Fieber bekam, wurde isoliert und auf Schweinegrippe untersucht, obwohl es sich um eine normale Erkältung gehandelt haben konnte. Weil es keine rasche Methode zum Nachweis der Krankheit gab, war die stundenlange Isolation mit Stress verbunden. Auch bei anderen Fällen von Infektionen, etwa nach einem Unfall, wäre eine deutlich schnellere Diagnose wünschenswert, da von ihrem Ergebnis die weitere Therapie abhängen kann.

Oft dauert es aber Tage bis die Diagnose vorliegt. Nämlich dann, wenn die Diagnose auf dem Nachweis der Erbsubstanz DNS beruht. Denn die DNS des Krankheitserregers liegt nur in Spuren im Blut vor, sodass sie durch die üblicherweise verwendeten optischen Methoden nicht detektiert werden kann. Die gesuchten DNS-Moleküle werden deshalb mit Hilfe der sogenannten Polymerase-Kettenreaktion (engl. Polymerase Chain Reaction, PCR) vervielfältigt und anschließend mit einem fluoreszierenden Molekül markiert. Erst dann ist ein so genanntes Fluoreszenzmikroskop in der Lage, die Fremd-DNS nachzuweisen.

Mit dem Sensorchip der Forscher um Kannan Balasubramanian vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung erübrigt es sich hingegen, die DNS aufzukonzentrieren. Denn der Chip weist die Erbsubstanz nicht mithilfe eines Mikroskops, sondern mit sehr empfindlicher Elektronik nach. Sein Herzstück sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Diese bestehen aus einem aufgerollten Netz von Kohlenstoff-Atomen. Die Röhrchen mit weniger als einen Nanometer, einem Millionstel Millimeter Durchmesser zeichnen sich durch eine sehr gute Leitfähigkeit aus. Sie eignen sich als hochsensitive Sensoren, weil sich die gute Leitfähigkeit bereits durch geringe Störungen verändert – etwa wenn ein Molekül an das Röhrchen bindet. Der Grund hierfür ist, dass die Nanoröhrchen keine Atome in ihrem Innern aufweisen. Alle Kohlenstoffatome sitzen an seiner Oberfläche. Daher beeinflusst eine Störung an der Oberfläche das gesamte Röhrchen.

Doch Empfindlichkeit allein ist erst die halbe Miete. Da in einer biologischen Flüssigkeit außer der gesuchten noch viele weitere DNS-Moleküle herumschwimmen, muss der Sensor gewissermaßen blind gegen diese nicht interessierenden Moleküle gemacht werden. Die Fähigkeit des Sensors, nur eine bestimmte DNS-Sequenz zu detektieren, nennen Wissenschaftler Selektivität. Diese erreichen die Forscher indem sie vor der Messung bestimmte DNS-Moleküle an das Nanoröhrchen binden. Diese können sich jeweils mit dem gesuchten DNS-Molekül  und nur mit diesem  zu einer DNS-Doppelhelix verbinden. Die beiden Hälften passen sozusagen zusammen wie Schlüssel und Schloss. Wenn die beiden DNA-Moleküle sich verbinden, beeinflusst dies das Nanoröhrchen ebenso als würde ein Molekül direkt an seine Oberfläche binden: Die Elektronendichte auf dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verändert sich und damit dessen Leitfähigkeit.