Neue Biosensoren detektieren Viren und Bakterien in Echtzeit

03. Mai 2021

Mithilfe optischer Biosensoren könnten Bakterien und Viren in Sekundenschnelle detektiert werden. Patienten müssten nicht mehr tagelang auf ihre Testergebnisse warten, sterile Räume, medizinische Geräte, Produktionsprozesse und Lebensmittel könnten in Echtzeit überwacht werden. Am Fraunhofer IMS in Duisburg hat sich eine neue Arbeitsgruppe gegründet, die all das ermöglichen will.

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Prof. Sebastian Kruss.
© Alexander Spreinat
Ein Teil des Forschungsteams: Sebastian Kruss (links) und Robert Nißler.

Prof. Kruss, Bakterien und Viren in Echtzeit zu erkennen, das klingt ja nach einer großartigen Zukunftsaussicht. Wie würden Sie einem Laien die Funktionsweise Ihres geplanten Detektors erklären?

Wir arbeiten an Nanosensoren die man sich als extrem kleine Röhren vorstellen kann – 100.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar. Sie leuchten in einem für den Menschen nicht sichtbaren Bereich (nahes Infrarot). Diese Nanoröhren können nun chemisch so dekoriert werden, dass sie in Gegenwart eines bestimmten Zielmoleküls ihr Leuchten verändern. So kann die Anwesenheit beispielsweise eines Virus-Partikels oder von Bakterien optisch angezeigt werden. Das besondere an unseren Sensoren ist, dass sie für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar sind und äußerst klein, schnell und ultrasensitiv sind. Die aktuelle Lage zeigt, dass wesentlich mehr Diagnostik vorhanden sein sollte, um Pandemien eindämmen zu können. Stellen sie sich vor, man hätte für Jeden verfügbare Biosensoren, die in wenigen Minuten ein Ergebnis liefern und nicht so fehlerbehaftet wären wie aktuelle Tests.

An welchen Stellschrauben herrscht noch weiterer Forschungsbedarf?

Wir können bereits im Labormaßstab wichtige Pathogene wie Bakterien unterscheiden. Auf dem Weg zur Anwendung wollen wir die Erkennungsstrategien weiter ausdehnen um möglichst viele Dinge gleichzeitig erfassen zu können. Außerdem arbeiten wir an einem Prototyp zum Auslesen der Nanosensoren. Längerfristig wollen wir solche Sensorkonzepte aber noch wesentlich patientennäher einsetzen. Ein Beispiel sind intelligente Implantate, die Infektionen berührungsfrei und nicht-invasiv anzeigen.

Wie können wir uns ein solches Detektions-Gerät vorstellen?

Biosensoren erkennen chemische Strukturen, die charakteristisch für eine bestimmte Frage sind. Ein Beispiel wäre das Protein, mit dem das Coronavirus in menschliche Zellen eindringen kann. Die Nanosensoren erkennen genau diese Strukturen. Daher werden immer solche Nanosensoren, beispielsweise integriert in ein Hydrogel oder auf Papier, benötigt. Das Auslesen kann dann mit verschiedensten Geräten oder dafür optimierten Detektoren erfolgen.

Welchen Anteil hat die Mikroelektronik in Ihrem Vorhaben?

Unsere Nanosensoren liefern präzise Informationen über biologische Proben. Um sie auszulesen wird Licht genutzt und dieses muss detektiert werden können. Dazu kommen beispielsweise die Einzelphotonen Detektoren vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS zum Einsatz. Außerdem muss für einen, von Endkunden nutzbaren, Biosensor ein hoch integriertes Gerät entwickelt werden, bei dem Mikroelektronik und Optik eine zentrale Rolle spielen.

Warum haben Sie sich dazu entschieden, Ihre Forschung beim Fraunhofer IMS voranzubringen?

Die Entwicklung von Biosensorik benötigt Expertise aus verschiedenen Bereichen: Von der Chemie und Physik über Ingenieurswissenschaften bis hin zur Medizin. Das Fraunhofer IMS verfügt über eine große Expertise im Bereich Systemintegration und bei hochsensitiven optischen Detektoren. Das ergänzt sich hervorragend mit meiner Expertise im Bereich der Nanosensoren und Erkennung von biologischen Motiven. Zusammen können wir so die nächste Generation an diagnostischen Werkzeugen entwickeln.

 

Sebastian Kruss studierte Chemie und Biophysik an der Universität Heidelberg und promovierte am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme über nanostrukturierte Oberflächen. Es folgte ein Post-Doc-Aufenthalt am Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.) in Cambridge, USA. Nach seiner Rückkehr leitete er zunächst eine Arbeitsgruppe an der Universität Göttingen. 2020 wurde er auf eine Professur für Physikalische Chemie an die Ruhr-Universität Bochum berufen. Zeitgleich baute er am Fraunhofer IMS im Rahmen des Attract Programms eine Arbeitsgruppe zum Thema Biosensoren auf.