Gentechnik 14.09.2007, 19:30 Uhr

Terahertz-Strahlung checkt Gene  

VDI nachrichten, Siegen, 14. 9. 07, ber – Je früher Krebs erkannt wird, desto größer die Heilungschancen. Oft sind die Gene am Krankheitsgeschehen beteiligt. An der Uni Siegen wird derzeit ein DNA-Scanner entwickelt, mit dem noch vor dem konkreten Verdachtsfall das individuelle Krebsrisiko schneller und einfach als bisher ermittelt werden kann.

Kleiner Piks, ein Tropfen Blut – der Arzt schiebt einen Glasträger mit dem roten Lebenssaft in eine schuhkartongroße Apparatur. Kurz darauf erscheint auf dem PC-Display das Ergebnis der Analyse: Ein bakterieller Infekt, nicht untypisch für die Jahreszeit. Der Arzt verschreibt ein Antibiotikum und rät zu einwöchiger Bettruhe. Wenige Minuten später kann der Patient nach Hause. Gute Besserung!

Geht es nach Prof. Haring Bolívar vom Institut für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik der Uni Siegen, könnte die Vision schon bald Wirklichkeit in deutschen Arztpraxen werden. Mit internationaler Beteiligung arbeitet der Elektrotechniker an der Entwicklung eines DNA-Scanners. Diagnosen sollen so eine nie gekannte Präzision und Geschwindigkeit erreichen.

Basis der Präzisionsdiagnostik sind schnelle und leistungsfähige Verfahren zur Analyse von Erbmaterial. So erkennt der DNA-Scanner jene Abschnitte im menschlichen Erbgut, die für die Codierung einer Erbkrankheit oder für Krebsanfälligkeit verantwortlich sind.

„Für jeden Patienten ließe sich das Krebsrisiko individuell bestimmen“, so Bolívar. So wäre zu erkennen, ob Organe gefährdet sind oder wo die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Karzinoms am höchsten ist.

Wie aber funktioniert ein solcher DNA-Scanner? Das Grundprinzip ähnelt dem eines normalen PC-Scanners. In beiden Fällen tastet elektromagnetische Strahlung den zu untersuchenden Gegenstand ab. Teile der Strahlung werden vom gescannten Objekt absorbiert, andere reflektiert.

Ein Sensor misst die entsprechenden Strahlungsmengen und leitet die gewonnen Daten an eine Ausleseelektronik weiter. Im Falle eines PC-Scanners (re)konstruiert der Computer aus diesen Daten das fotografische Bild.

Während der PC-Scanner Strahlen des sichtbaren Spektrums – also Licht – nutzt, bedient sich der DNA-Scanner allerdings einer unsichtbaren Strahlung, die zwischen Infrarot und Mikrowellen angesiedelt ist: der so genannten Terahertz(THz)-Strahlung.

„Unser Hauptproblem liegt derzeit darin, solche Terahertz-Strahlung zu erzeugen“, sagte Bolívar. „Bis heute ist es nicht gelungen, eine effiziente und zugleich kompakte und kostengünstige Strahlungsquelle zu bauen.“

Im Gegensatz zur Röntgenstrahlung löst THz-Strahlung keine Mutation am Erbgut aus sie gilt deshalb als ungefährlich. „Abhängig von Struktur und Zusammensetzung des jeweiligen Biomoleküls entstehen unter Einfluss der THz-Strahlen spezifische Wellenmuster, die eine gut messbare Grundlage für weitergehende Materialanalysen bilden“, erklärte Bolívar.

Auf DNA-Chips platzieren Biotechnologen nun Tausende von kurzen DNA-Einzelsträngen mit bekannten Basensequenzen. Sie dienen gewissermaßen als Sonden, um aus dem Gemisch von DNA-Molekülen einer Patientenprobe die jeweiligen genetischen Gegenstücke herauszufischen. Hat ein DNA-Fragment angedockt, verbinden sich beide Teile zu einer Doppelhelix.

Für die Konstruktion eines leistungsfähigen DNA-Scanners fand das Siegener Team in Experimenten heraus, dass man mit THz-Strahlen genau erkennen kann, wenn beide DNA-Stränge gekoppelt vorliegen.

Die THz-Wellen regen in den DNA-Molekülen eine Reihe von charakteristischen Schwingungen an, die nur in gebundenen Gensequenzen möglich sind. Über die THz-Resonanzen, die als THz-Absorption oder THz-Refraktion messbar sind, lässt sich der Bindungszustand zwischen bekannten und unbekannten DNA-Sequenzen direkt bestimmen. Das erlaubt den Bau von THz-Biochips, die Gensequenzen direkt quantitativ detektieren und identifizieren.

Bolívars Scanner setzt sich aus drei Bauteilen zusammen: einer THz-Strahlenquelle, einem DNA-Chip, der mit DNA-Sequenzen von Tumorzellen, Viren oder Bakterien bestückt werden kann, sowie einem Detektor, der die Strahlungsresonanz misst.

Besonders forschungsintensiv ist derzeit die Arbeit an der Strahlungsquelle sowie an Substraten, die die Wechselwirkung von DNA und THz-Strahlung verstärken.

Für die Konstruktion der Strahlungsquelle experimentieren die Forscher mit einem Quanten-Kaskaden-Laser. Dieser muss derzeit zwar noch aufwendig gekühlt werden, kann dafür aber die benötigten hohen THz-Strahlungsintensitäten bereitstellen. ber

www.zess.uni-siegen.de

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