Flexible und modulare Biosensoren

Biosensoren spielen in der medizinischen Forschung und Diagnostik eine Schlüsselrolle. Derzeit müssen sie allerdings in der Regel für jede Anwendung eigens entwickelt werden. Ein Team um den LMU-Chemiker Philip Tinnefeld hat nun eine allgemeine, modulare Strategie zum Aufbau von Sensoren entwickelt, die einfach an verschiedene Zielmoleküle und Konzentrations­bereiche angepasst werden können. Der neue modulare Sensor hat das Potenzial, die Entwicklung neuer Diagnose­instrumente für die Forschung erheblich zu beschleunigen.

Der Sensor nutzt ein DNA-Origami-Gerüst, das aus zwei Armen besteht, die über ein molekulares Scharnier verbunden sind. Jeder Arm ist mit einem Fluoreszenz­farbstoff markiert, deren Abstand mittels des Fluoreszenz-Resonanz-Energie­transfers (FRET) erfasst wird. In geschlossenem Zustand liegen die beiden Arme parallel, öffnet sich die Struktur, klappen sie um bis zu neunzig Grad auseinander. „Durch diese große Konformations­änderung verändert sich auch das Fluoreszens­signal deutlich“, erklärt Viktorija Glembockyte. „Dadurch können Signale wesentlich klarer und präziser gemessen werden als bei Systemen, die nur kleine Konformations­änderungen aufweisen.“

Das Origami-Gerüst kann mit Andock­stellen für verschiedene biomolekulare Ziele wie Nukleinsäuren, Antikörper oder Proteine ausgestattet werden. Ob der Sensor geöffnet oder geschlossen ist, hängt von der Bindung des jeweiligen Ziel­moleküls auf dem Origami-Gerüst ab. Durch den Einsatz von zusätzlichen Bindungs­stellen oder stabilisierenden DNA-Strängen kann der Sensor dabei gezielt angepasst und optimiert werden. „Mit dem Origami kann man relativ einfach designen, dass mehrere molekulare Interaktionen zwischen Ziel­molekül und Sensor gleichzeitig abgefragt werden“, erklärt Tinnefeld. „Diese Mehrfach-Bindungen führen zu interes­santen kooperativen Effekten, die es erlauben, die Sensitivität des Sensors gezielt zu steuern, ohne in die biomolekularen Wechsel­wirkungen selbst – also die Stärke, mit der das Zielmolekül an seine Bindungs­stelle andockt – einzugreifen. Diese Flexi­bilität ist ein großer Vorteil unseres Systems.“

In Zukunft wollen die Forschenden den Sensor weiter optimieren, etwa für biomedi­zinische Anwendungen. Ein mögliches Anwendungs­gebiet könnten etwa Sensoren sein, die verschiedene Parameter überwachen und bei bestimmten Bedingungen Wirkstoffe abgeben, so Tinnefeld.

LMU / JOL