Bioassays

Zur Vermehrung und Ausbreitung bestehen Viren aus DNA oder RNA, deren Replikation in befallenen Wirtszellen stattfindet. Über diese DNA/RNA können die parasitären Moleküle eindeutig identifiziert werden.

Im Rahmen unserer Aktivitäten zur DNA/RNA-Detektion nutzen wir Methoden der DNA-Nanotechnologie aus, um komplexe Assay-Strukturen auf Basis von synthetischer DNA zu entwickeln. Ein wesentlicher Bestandteil ist dabei die Bildung und Auflösung von magnetischen Nanoclustern, welche unter Zugabe von spezifischen Target-Sequenzen erfolgt.

Anschließend werden magnetische Nanocluster mithilfe von komplementärer cDNA gebildet. Diese cDNA verfügt über ungebundene Basen, welche als Toehold bezeichnet werden und als Primer-Region für spezifische Target-Sequenzen dienen. Die Target-Sequenzen binden an den Toehold und ersetzen die gebundenen Basen, wodurch die Nanocluster aufgelöst werden können. Im Gegensatz zu den AB/Antigen-Tests zielen wir hierbei nicht auf die Vergrößerung sondern die Reduzierung des hydrodynamischen Volumens und damit Erhöhung des Harmonischenverhältnisses ab.

Mit ihrer Größe von wenigen Nanometern bis 100 nm Durchmesser liegen die MNP in der Größenordnung von Proteinen, Viren und Antikörpern bzw. Antigenen und sind damit deutlich kleiner als menschliche Zellen. Durch gezielte Funktionalisierung der MNP können biologisch interessante Objekte markiert und mit entsprechenden Nachweismethoden anschließend detektiert werden. Hierfür bietet sich insbesondere die Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) an, da mit dieser Proben schnell und empfindlich ausgewertet werden können. Dazu werden die MNP-Proben mit einem rein harmonischen Anregungssignal magnetisiert, die Magnetisierungsantwort aufgezeichnet und im Frequenzbereich ausgewertet. Liegt der fragliche Analyt in der Probe vor, verändert sich die gemessene Magnetisierungsantwort.

Für die Auswertung solcher biologischen Assays wurde am Institut ein darauf optimiertes MPS-System, das ImmunoMPS, aufgebaut (s. Abbildung 1). Der Name geht dabei zurück auf das Immunoassay, einer bioanalytischen Methode zum Nachweis eines Analyten durch Bindung eines Antigens an einen Antikörper. Das ImmunoMPS wurde als völlig eigenständiges System entworfen, um auch in S2⁺ Sicherheitslaboren eingesetzt werden zu können. Es ist mobil und sehr kosteneffizient designt. Der auf kommerzielle BNF80 Nanopartikel der Firma micromod Partikeltechnologie GmbH angepasste Prototyp operiert mit einer typischen magnetischen Feldstärke von 15 mT/μ₀ bei einer Anregungsfrequenz von 590 Hz, um eine möglichst große Empfindlichkeit bezüglich der Detektion biologischer Analyten zu erreichen.

Das gesamte System ist in einem Mini-ITX PC-Gehäuse verbaut. Der Prototyp besitzt lediglich ein Display und zwei Bedienknöpfe, und kann damit auch mit Handschuhen und durch ungeübtes Personal bedient werden. Die Nutzerinteraktion, sowie Steuerung und Datenverarbeitung des Systems übernimmt ein Einplatinencomputer. Die Messergebnisse können direkt auf dem integrierten Display betrachtet werden oder per (W)LAN von dem Gerät für weitere Auswertungen heruntergeladen werden. Spulensystem und Montagehalterungen sind 3D-gedruckt. Außerdem werden vorwiegend kommerzielle Elektronikkomponenten verwendet. Dadurch lässt sich das Messsystem kostengünstig für Projektpartner vervielfältigen.