SAARBRÜCKEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Forschende aus dem KIST Europe und der Universität des Saarlandes kombinieren „Nano-Angeln“ aus Phagenpeptiden mit einem tragbaren Bio-Sensorsystem. Ziel ist, Schwermetallpartikel in Wasser gezielt zu erkennen und anschließend aus der Probe herauszufischen. Als Grundlage dienen Feldeffekttransistoren (FETs), die auf sehr kleine Änderungen der Umgebung reagieren. Das Projekt wird im Saarland mit rund 580.000 Euro aus dem EFRE-Programm gefördert.
Im Kampf gegen Schwermetalle im Wasser geht es längst nicht mehr nur um die Frage, wie man Schadstoffe später ausfiltriert. In Saarbrücken rückt ein Ansatz in den Fokus, der Erkennung und Bergung in einem Prozess verzahnt: Forschende des Korea Institute of Science and Technology Europe (KIST Europe) und der Universität des Saarlandes entwickeln gemeinsam eine Technik, bei der biologische Bindungseinheiten zunächst gezielt Partikel festhalten und ein empfindliches Sensorsystem sie danach nachweist. Damit wird aus einem klassischen „Messung zuerst, Behandlung danach“ ein Systemdenken entlang der gesamten Kette von Biorecognition bis zur Entnahme.
Die Ausgangslage bleibt dabei komplex. Aus Industrie und Bergbau, aber auch durch Autoabgase, Landwirtschaft, Pflanzenschutzmittel und Abfälle gelangen Schwermetalle wie Arsen, Blei und Cadmium sowie Quecksilber und Zink in die Umwelt. Wenn Pflanzen und Tiere diese Stoffe aufnehmen, landen sie über die Nahrungskette schließlich im menschlichen Körper. Das Problem ist nicht nur die akute Giftigkeit einzelner Elemente, sondern auch die Anreicherung in Organen und Geweben, wodurch Gesundheit und auch gesellschaftliche Folgekosten belastet werden können.
Genau an diesem Punkt setzt die „Nano-Angel“-Idee an. Experimentalphysiker Uwe Hartmann beschreibt das Ziel explizit: Schwermetalle aus Gewässern entfernen und dafür eine neuartige Methode entwickeln. Die Grundlage bilden Phagen, also Viren, die für Menschen und Tiere ungefährlich sind, weil sie ausschließlich Bakterien befallen und sich ohne Wirtsbakterien nicht eigenständig vermehren. Auf ihrer Oberfläche tragen sie Peptide, die wie ein molekularer Angelhaken Schwermetallionen binden sollen. Die Molekularbiologin Nuriye Korkmaz Zirpel nutzt dafür das Phagen-Display als Labortechnik, die eigentlich aus der Wirkstoffsuche bekannt ist: Über die Veränderung der DNA entstehen auf den Phagenoberflächen unterschiedliche Peptidvarianten, anschließend werden Milliarden Kandidaten mit den Schwermetallen in Kontakt gebracht, um die Bindungseinheiten auszuwählen, die die Partikel besonders gut einfangen.
Damit aus „einem Treffer“ ein robustes Bindesystem wird, planen die Forschenden eine zweite Evolutionsstufe: Sie selektieren nicht nur einzelne Kandidaten, sondern verändern außerdem die Virenoberfläche so, dass zahlreiche der effektivsten Peptid-Haken wachsen können. Das Ergebnis soll ein Phagen-Display aus leistungsfähigen Bindungsspezialisten sein, die selektiv das Zielmolekül erkennen und als Biorecognition-Einheit beziehungsweise Biosensor weiter verwendet werden. Interessant ist daran auch die Schnittstelle zwischen Biologie und Sensorik: Die Bindung passiert im wässrigen Milieu, die Messung soll danach jedoch in ein elektronisches Signal übersetzen, das sich für den praktischen Einsatz eignet.
Die Sensorik liefern die Saarbrücker Experimentalphysiker um Haibin Gao. Geplant ist ein tragbares Bio-Sensorsystem auf Basis von Feldeffekttransistoren (FETs). Prinzipiell sind FETs elektronische Schalter, deren Stromfluss auf Änderungen der Umgebung reagiert: Schon sehr kleine Veränderungen am Transistor beeinflussen den Strom und erzeugen messbare Signale. Die Forscher trainieren ihre Sensoren darauf, aus den Messdaten gezielt Muster herauszulesen, die zu verschiedenen Schwermetallen passen. Technisch wichtig ist dabei, dass die Bauelemente an die physikalischen Anforderungen angepasst werden, die durch die Bindung von Schwermetallpartikeln an Peptiden entstehen.
Um die gewünschte Nachweisleistung zu erreichen, setzen die Projektpartner auf Fertigungsschritte wie Laserlithografie und Sputterverfahren, um FETs zu entwerfen, herzustellen und zu strukturieren sowie entsprechend zu beschichten. Zusätzlich wollen sie die Empfindlichkeit erhöhen, indem Kohlenstoffnanoröhren als Material für den FET-Kanal verwendet werden. In ersten Testreihen arbeiten sie mit Wasserproben: Die erste Generation des FET soll bereits „sehr bald“ demonstriert werden. Auf längere Sicht planen sie außerdem, Interferenzen – also Einflüsse, die Messungen verfälschen können – mit Algorithmen auf Basis von Künstlicher Intelligenz zu minimieren, sodass das System auch in realen, chemisch wechselhaften Proben stabil bleibt.
Der letzte Teil der Kette bleibt jedoch ebenso entscheidend wie der Nachweis: Wenn die Schwermetallpartikel detektiert und über die Phagen-Angeln „dingfest“ gemacht werden, müssen sie perspektivisch auch umweltfreundlich aus dem Wasser entfernt werden. Uwe Hartmann nennt als Beispiel die Kopplung der Phagen an magnetische Nanopartikel, sodass die gebildeten Komplexe mit Magneten aus dem Wasser entfernt werden könnten. Im Kern zielt das Projekt darauf, wie sich Schwermetall-Nachweis und Entnahme in einer praktischen Anwendung am besten kombinieren lassen und wie man mehrere Schwermetalle zugleich analysieren kann, um die Methode effektiver zu machen. Das Vorhaben wird über das Saarland mit rund 580.000 Euro im Rahmen des Programms „Investitionen in Beschäftigung und Wachstum“ aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
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