Elektronische Zunge zur Analyse von Proteinen

Geschmackslandschaften

Elektronische Nasen erschnüffeln Abgase oder helfen bei der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln. Weniger bekannt ist, dass es auch für die Zunge ein Pendant gibt: Elektronische Zungen sind in der Lage, gelöste Stoffe zu erkennen. Französische Forscher präsentieren in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun einen neuen, besonders einfachen Ansatz für eine elektronische Zunge, die Proteine differenzieren soll.

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Biosensoren arbeiten mit spezifischen Liganden, wie Antikörpern, die das gesuchte Molekül selektiv binden. Sollen Substanzen differenziert werden, muss für jede ein passender Ligand entwickelt werden – eine aufwendige Angelegenheit. Bei elektronischen Nasen oder Zungen wird dagegen mit einer Anordnung verschiedener „Rezeptoren“ gearbeitet, an die die gesuchte Verbindung verschieden stark bindet. Die Rezeptoren sind für mehrere Zielmoleküle empfindlich. Die kombinierte Antwort aller Rezeptoren ergibt ein spezifisches Muster für jede der gesuchten Verbindungen. Da keiner der Rezeptoren hochspezifisch sein muss, lassen sie sich wesentlich rascher und einfacher entwickeln.

Eine Gruppe um Yanxia Hou, David Bonnaffé und Thierry Livache will den Aufwand für Design und Herstellung elektronischer Zungen nun weiter reduzieren. Ihre Rezeptoren entstehen aus Mischungen weniger molekularer Bausteine mit unterschiedlichen physikochemischen Eigenschaften. Einzelne Tröpfchen mit verschiedenen Konzentrationsverhältnissen der Bausteine werden direkt auf die Goldoberfläche eines Detektors aufgetragen. In einem Selbstorganisationsprozess entstehen daraus die Rezeptoren in Form winziger Pünktchen molekularer Monoschichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Als Detektionsmethode wählten die Forscher die Oberflächenplasmonen-Resonanzspektroskopie: Die gemessenen Elektronen- Schwingungen (Plasmonen) ändern sich, wenn Moleküle an die Rezeptoren auf dem Detektor adsorbieren.

Um ihr neues Zungen-Prinzip zu testen, ließen sich die Forscher von den Heparansulfaten der Zelloberfläche inspirieren. Diese erkennen verschiedene Vermittlermoleküle, wie Wachstumsfaktoren, die in vielen physiologischen und pathologischen Prozessen eine Rolle spielen. Heparansulfate sind Moleküle aus Zuckerbausteinen mit verschiedenen Mustern aus Sulfat-Seitengruppen und verschiedenen Bindungsspezifitäten. Die Forscher synthetisierten zwei heparasulfatähnliche Bausteine, einen ohne und einen mit Sulfatgruppen. Aus verschiedenen Mischungsverhältnissen stellten sie eine Anordnung aus neun Rezeptoren her und testeten diese mit verschiedenen Proteinen. Die Stärke der Antwort aufgetragen gegen den jeweiligen Rezeptor liefert ein für das Protein charakteristisches kontinuierliches Profil oder eine dreidimensionale „Landschaft“, die eine sehr einfache Identifikation ermöglichen. Auch Profile von Proteinmischungen lassen sich rechnerisch auf die einzelnen Komponenten zurückführen.

Mit zusätzlichen Bausteinen erhöhen die Forscher derzeit die Vielfalt der Rezeptoren dieser ersten Zungenversion. So sollen sich zukünftig auch sehr ähnliche Proteine unterscheiden lassen.