Wahlobligatorischer Unterricht
Prof. Dr. Michael Keusgen
Institut für Pharmazeutische Chemie
Marbacher Weg 6
35032 Marburg
Keusgen@staff.uni-marburg.de
Es können Projekte zu folgenden Themen angeboten werden:
- Biomolekulare Interaktionsanalyse und
Naturstoff-Screening
- Immobilisierte Biomoleküle und Biomaterialien
- Mikrokomponenten für biochemische und medizinische
Analysensysteme
1. Biomolekulare Interaktionsanalyse und Naturstoff-Screening
Mit einem neuartigen Verfahren, das auf dem optischen Prinzip der
reflektrometrischen Interferenzspektroskopie basiert, können
Interaktionen zwischen Biomolekülen markierungsfrei gemessen werden
(Abb. 1). Bei dieser Methode wird die Oberfläche eines 100:m dicken
Chips (Glas oder Polymer) so modifiziert, dass die Immobilisierung von
Biomolekülen (z.B. DNA-Sonden) über eine kurze Spacer-Struktur
ermöglicht wird. Geeignete Immobilisierungs-Verfahren wurden in den
vergangenen vier Jahren innerhalb der Arbeitsgruppe entwickelt. Bindet
beispielsweise die Proben-DNA an die immobilisierten Sonden, ändert
sich der Brechungsindex der oberflächennahen Schicht, wodurch das
teilreflektierte Licht mit einem anderen Winkel 2 zurückgestrahlt wird
(Abb. 1, rote Linien). Ebenfalls weist das reflektierte Licht eine
Phasenverschiebung im Vergleich zum eingestrahlten Licht auf. Diese
Effekte können quantitativ ausgewertet werden.
Neben DNA-Sonden können auf der Chip-Oberfläche Sacharide, Lectine,
Antikörper, Antigene, Proteine und ganze Zellen immobilisiert werden.
Da für diese Applikationen die oben geschilderte Gerätekonfiguration
beibehalten werden kann, wird die Spezifität des Systems durch den
verwendeten Chip-Typ bestimmt. Die BIA soll zukünftig zum funktionellen
Screening auf neue Wirkstoffe (Target als Sonde) und Wirkstoff-Targets
(Wirkstoff als Sonde) eingesetzt werden.
Parallel zur Entwicklung der oben beschrieben Chip-Technologie werden
gegenwärtig innerhalb der Arbeitsgruppe Methoden entwickelt, die eine
zeitsparende und kostengünstige Probenvorbereitung erlauben und mit
High-Throughput-Verfahren kombinierbar sind. Im Gegensatz zu
klassischen Filtrationsmethoden durchläuft hierbei das Probenmaterial
einen porösen Festkörper ("Affinitätsmodul"), dessen Oberfläche mit
Biomolekülen besetzt ist, welche die gewünschte Zielstruktur (z. B.
durch "Immuno-Capturing") oder eine bestimmte Gensequenz (z.B. durch
DNA-Sonden) spezifisch binden. Die so gebundene Zielstruktur kann nach
Abtrennung der unerwünschten Begleitsubstanzen aus dem Affinitätsmodul
eluiert werden; eine direkte Quantifizierung des gebundenen
Probenmaterials ist ebenfalls möglich. Zur Herstellung dieser
Affinitätsmodule kommen die gleichen Immobilisierungstechniken zum
Einsatz, die auch zur Herstellung von Biochips entwickelt wurden.
Die oben beschriebenen Techniken lassen sich aber nicht nur für ein
Gen-Screening verwenden, sonder sind in modifizierter Form auch für die
Naturstoffanalytik einsetzbar. Die Untersuchung von kanzeroprotektiven
und antioxidativen Substanzen in Lauchgewächsen (
Allium L.) wird
zur Zeit von der VolkswagenStiftung unterstützt. Hier werden
schwerpunktmäßig Allium-Arten aus Zentralasien untersucht. Im Fokus
stehen neben den Cysteinsulfoxiden weitere Schwefelverbindungen sowie
deren biologische Aktivität.
2. Immobilisierte Biomoleküle und Biomaterialien
Für biosensorische Anwendungen, aber auch für viele biotechnologische
und medizinische Applikationen ("Tissue Engineering") werden
immobilisierte Biomoleküle wie Proteine, Zucker, Antikörper oder auch
ganze Zellen benötigt. Aus diesem Grunde wurde innerhalb der
vergangenen Jahre eine Art Baukasten-System aus universell einsetzbaren
Technologie-Blöcken zusammengestellt, um neue Projektideen schnell
realisieren zu können.
Die
bisherigen Entwicklungen sind in Abb. 2 schematisch dargestellt. Im
ersten Schritt wird die Oberfläche eines Trägermaterials, was ein
organisches oder anorganisches Polymer sein kann, durch Oxidation
aktiviert. Anschließend werden mittels sogenannter "Spacer" Amino- oder
Carboxyfunktionen eingeführt (Abb. 2a), welche die nachfolgenden
Immobilisierungsschritte ermöglichen. Mit Hilfe dieser Verfahren ist
ebenfalls eine Nanostrukturierung der Oberfläche möglich. Im darauf
folgenden Schritt wird eine Biokomponente immobilisiert, die
typischerweise aus einem Zucker oder einem Protein (z.B. Haftprotein
für tierische Zellen, Enzym, Antikörper) besteht (Abb. 2b). Mit der
gleichen Technologie ist aber auch die kovalente Bindung von
Wirkstoffen möglich, die kontrolliert über einen eingefügte
Sollbruchstelle abgegeben werden können (Abb. 2c). Intakte Zellen
lassen sich ähnlich immobilisieren (Abb. 2d); gegenwärtig wird jedoch
eine Strategie bevorzugt, bei der spezifische Haftstrukturen kovalent
immobilisiert werden und sich die Zellen über
Selbstorganisationsmechanismen anlagern können.
3. Mikrokomponenten für biochemische und medizinische
Analysensysteme
Im Januar 2002 wurde in Zusammenarbeit mit der Gesellschaft für
Biotechnologische Forschung (GBF) in Braunschweig die Entwicklung eines
"Lab-on-a-chip"-Systems begonnen, bei dem eine :-Elektrophorese-Einheit
sowie Biosensoren auf einem Polymer-Chip untergebracht werden sollen.
Parallel wird seit November 2001 gemeinsam mit dem Forschungszentrum
Jülich und der Fachhochschule Aachen-Jülich ein miniaturisiertes
Biosensor-System auf Halbleiter-(Silizium)-Basis entwickelt.
Die sich aus diesen Projekten ergebene Ausrichtung der Arbeitsgruppe
ist in Abb. 3 zusammengefasst. Die Biosensorik und die Immobilisierung
von Biomolekülen werden bereits seit mehreren Jahren verfolgt; eine
Miniaturisierung und Nanostrukturierung wird zur Zeit vorangetrieben.
Parallel wurden immer wieder naturstoffanalytische und biochemische
Aspekte bearbeitet und mit den neuen Techniken kombiniert.
Für
2005 und 2006 ist die Zusammenführung der bisherigen Teilprojekte
vorgesehen, um daraus folgende Hauptrichtungen abzuleiten: Zum einen
sollen auf der Basis von optischen Transducern, aber auch mit
miniaturisierten Halbleiterstrukturen, mehrere Biosensoren mit
unterschiedlichen Charakteristika miteinander kombiniert werden,
wodurch ein "High-content-screening" (HCS) von Naturstoffen,
Substanz-Libraries, Proteinen und DNA realisiert werden kann. Zum
anderen sollen die Oberfläche der Biosensoren so verändert werden, dass
sie als künstliche Implantate Verwendung finden können. Die bisher
entwickelten Immobilisierungstechniken können aber auch zur räumlich
kontrollierten Anzucht von Gewebsteilen verwendet werden. Ein
derartiges Projekt befindet sich ebenfalls in der Planungsphase.
