Alternative Nachweisverfahren –nicht PCR-basierende Schnellmethoden - Molekularbiologische Methoden in der Lebensmittelanalytik - page 79

6.7 Biosensoren und Nanotechnologie

Biosensoren werden als die analytischen Instrumente der Zukunft bezeichnet. Sie
können alle Arten biologischen Materials, aber auch Mikroorganismen und deren
Toxine detektieren. Sie können zur Kontrolle von Verderbserscheinungen, aber
auch zum Nachweis pathogener Mikroorganismen eingesetzt werden. Die im Fol-
genden dargestellten Prinzipien konzentrieren sich auf das Potenzial, pathogene
Mikroorganismen nachzuweisen.
Bei zellbasierten Biosensoren werden durch die Bindung des Pathogenen an
Phagozyten biochemische Stoffwechselwege derart moduliert, dass sich die Zell-
physiologie ändert. Ein Prototyp ist das CANARY-System. Auf den Oberflächen
biotechnologisch veränderter Rezeptorzellen werden membrangebundene, patho-
gen-spezifische Antikörper expremiert. Diese Antikörper erkennen das Pathogen
und durch die Bindung werden Ca 2+ -Influxkanäle geöffnet, die zu einem Einströ-
men von Kalziumionen in das Zelllumen führen. Dieser Vorgang verändert eine
Reaktionskaskade, an deren Ende die Aktivierung eines Ca 2+ -Ionen abhängigen
Reportermoleküls stehen, dessen Lichtemission mit einem Luminometer gemessen
wird (Rider et al. 2003 ).
Nanomechanische Oszillatoren können zum Nachweis biologischer Matrizes
eingesetzt werden. Auf der Oberfläche sogenannter Cantilevers werden mittels
Silanisierung funktionale Schichten aufgebracht, die bei der Analytik von mikro-
biellem Wachstum Agarschichten mit einer Schichtdicke von etwa 200-300 nm
darstellen. Durch das mikrobielle Wachstum an der Oberfäche des Cantilevers
werden die Masseverhältnisse so verändert, dass die Schwingungseigenschaften
beeinträchtigt werden (Resonanz). Die messbaren Änderungen in der Resonanz-
frequenz sind so fein, dass einzelne Bakterienzellen und virale Partikel bei Auf-
treffen auf den Biosensor erfasst werden können (Gfeller et al. 2005 ). Weiters
konnte gezeigt werden, dass die Schwingungsänderung linear zum Wachstum von
Bakterienzellen ist. Um Cantilever spezifisch für den Nachweis von pathogenen
Mikroorganismen zu machen, müssen sie mit Antikörpern gekoppelt werden.
Nach einer Capturephase kann entweder das Vorhandensein der Zellen auf den
Biosensor oder das Wachstumsverhalten beobachtet werden. Die letztere Anwen-
dung kann zusätzliche Information z. B. bezüglich der Resistenzeigenschaften
des Pathogens ergeben. Der Vorteil der Cantilever ist ihre im Prinzip einfache
Handhabung, da keine aufwendigen Manipulationsschritte wie z. B. zur Zelllyse
benötigt werden.
Neue Technologien versuchen das diagnostische Potential von Aptameren zu
nützen. Aptamere sind RNA-Moleküle, die spezifisch an Zielmoleküle binden und
somit Antikörper-ähnliche Funktionen ausüben. Die Bindungsstellen der Zielzellen
werden in Analogie zu Epitopen als Apatope bezeichnet. Binden die Aptamere an
ihre Liganden, so ändern sie die dreidimensionale Struktur des Bindungspartners
(z. B. Proteine). Diese Änderungen können entweder über kolorimetrische Reak-
tionen oder FRET (Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer)-Reaktionen gemessen
werden (Bunka und Stockley 2006 ).