Etiketten für den Mikrokosmos

06.09.06 – Edda Grabar

Während Wirtschaft und Handel angesichts des nahenden Einsatzes von RFID-Chips als Strichcode-Nachfolger frohlocken, wird in den Laboren der Forschung an kühneren Visionen gearbeitet. Von RFID will Prasanna de Silva nichts wissen. Moleküle, die Daten speichern und wiedergeben, sind für den Chemiker an der Queen’s University in Belfast viel spannender. „Ein Computer, der mit Molekülen und Zellen konferiert – davon träumen nicht nur wir“, gerät de Silva ins Schwärmen. MCID – molecular computational identification – nennt er sein Verfahren.

Dank seiner Arbeit ist die Wissenschaft dieser geradezu unmöglichen Technlogie wieder ein Stück näher gekommen. In der Oktober-Ausgabe von Nature Materials veröffentlicht de Silvader, der das Institut für Organische Chemie an der Queen’s University leitet, eine Methode, in der chemische Moleküle wie RFID-Chips an der Supermarktkasse funktionieren sollen: Sie nehmen Informationen auf, identifizieren sie und senden das Ergebnis wieder aus. Der Vorteil von MCID: Der Vorgang ist auch bei Stoffen und Substanzen möglich, die nur wenige Nano- bis Mikrometer groß sind. Die RFID-Technologie lässt sich hier nicht einsetzen.

Der molekülbasierte Verarbeitungsprozess funktioniert so: Winzige 100 Mikrometer große Kügelchen, so genannte Microbeads, werden an andere Moleküle angehängt. Während die Streifen auf den Einkaufswaren Preis, Herkunft und Haltbarkeit speichern, sind die MCID-Etiketten von de Silva mit Antennen ausgestattet, die etwa den Säuregehalt von Lösungen wiedergeben. Je nachdem, in welcher Umgebung sich das Molekül befindet, leuchten die Antennen auf.

Auf den ersten Blick scheint das recht unspektakulär. Nun muss man wissen, dass die moderne Biologie sich nur mit Markierungen und Farbstoffen verstehen lässt – sie leuchten gelb, grün, rot oder lassen sich mittels magnetischer Beads mit Enzymen oder mit Hilfe von Fluoreszenz messen. „Der Unterschied ist jedoch, dass die jetzigen Möglichkeiten begrenzt sind“, sagt de Silva. Die ultramodernsten Sortiersysteme können maximal acht verschiedene Farben darstellen. „An die Microbeads lassen sich unzählig viele Farbantennen koppeln“, sagt de Silva. Er wählte Fluoreszenzfarbstoffe, weil die preiswert und einfach zu detektieren sind.

Prinzipiell könne man Millionen Kombinationen unterschiedlicher Sonden herstellen und hätte damit ein Verfahren, genau ein einziges Molekül aus einer Suppe von unzähligen anderen herauszufischen. „Einen Wolf in einer Schafherde zu erkennen, ist keine Schwierigkeit, aber genau ein bestimmtes Schaf heraus zu suchen, stellt selbst einen geschulten Bauern vor erhebliche Probleme“, sagt de Silva. Die Landwirte nutzen dazu kleine Marken an den Ohren – Biologen und Chemiker könnten künftig de Silvas Microbeads zur Hilfe nehmen.

Den Namen MCID wählte er in Anlehnung an RFID-Chips. Nur das „C“ für „computational“ erinnert zunächst an den Vergleich mit herkömmlichen Rechnern. Doch die Ähnlichkeit reicht weiter. Beide Technologien arbeiten mit einem binären System. Der Computer versteht Einsen und Nullen. Jeder Buchstabe auf der Tastatur wir hinter dem Plastikgehäuse in Nullen und Einsen übersetzt und im Monitor als eben dieser Text wiedergegeben – eine wilde Kombination aus zwei Ziffern. Die Microbeads erkennen chemische Substanzen in ihrer Umwelt und geben darauf „leuchten“ oder „nicht leuchten“ als Antwort. Dabei leuchten sie mit einer bestimmten Farbe.

„Die Anzahl der Antennen und die Bedingungen, die sie zum Glimmen bringen, lassen sich wenigstens theoretisch genauso vielfältig kombinieren“, meint auch Uwe Tangen, Wissenschaftler an der Abteilung Biomolekulare Informationsverarbeitung an der Ruhr-Universität in Bochum. In de Silvas Labor konnten sie saure Lösungen von seifigen unterscheiden.

Der Clou solcher MCID-Etiketten liegt in ihrer Oberfläche. Sie besteht aus verschiedenen funktionellen Gruppen – chemischen Ärmchen, die sich gerne mit anderen Stoffen verbinden, etwa fluoreszierenden Farbstoffen. „Bindet man diese Partikel beispielsweise an die Enzyme, die das Erbgut in Proteine übersetzen, weiß man, welchen Weg sie durchlaufen und kann auch die Produkte direkt identifizieren – ohne dass aufwändige Analysevorgänge notwendig sind“, sagt Tangen. Das gleiche gelte für chemische Prozesse.

Allerdings kann sich der Bochumer Molekularbiologe eine gewisse Skepsis nicht verkneifen. Die Idee, MCID-Etiketten zur Diagnose direkt beim Menschen einzusetzen, hält er noch für zu optimistisch. „All diese fluoreszierenden Farbstoffe sind giftig und können in dieser Vielfalt nicht beim Menschen eingesetzt werden“, sagt er.

In der Forschung, in Gewebekulturen sei das hingegen etwas anderes. So könnte die Pharmaindustrie genau beobachten, wann ihre Wirkstoffe wo wirken und unter welchen Bedingungen sie es am besten tun. Dazu aber müssten die Messtechniken, mit denen die MCID-Etiketten abgelesen werden, erst automatisiert werden. „Die Studie zeigt aber, dass das „molecular computation“ tatsächlich für solche Anwendungen eingesetzt werden kann“, so Tangen.


Das Paper:
A. Prasanna de Silva et al., "Molecular computational elements encode large populations of small objects", Nature Materials, Oktoberausgabe, Online-Vorabveröffentlichung: doi:10.1038/nmat1733

Permalink: http://heise.de/-278899

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