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Viele Krankheiten hängen mit fehlerhaften Sequenzen in der DNA
zusammen. Diese Defekte führen als Nebeneffekt zu einer herabgesetzten
Schmelztemperatur der DNA. An den Fehlstellen passen nämlich die
beiden DNA-Stränge nicht genau zusammen. Daher trennen sie sich schon
bei niedrigeren Temperaturen voneinander als bei einer intakten DNA.
Diesen Effekt kann man zum Nachweis von DNA-Defekten nutzen, indem man
die Schmelzkurve misst. Dazu isoliert man zunächst den maßgeblichen
DNA-Abschnitt und vervielfältigt ihn dann in einer
Polymerase-Kettenreaktion. Die DNA-Stücke werden anschließend mit
Gold-Nanopartikeln verbunden. Dadurch bildet sich ein Knäuel aus DNA
und Gold-Partikeln. Für die eigentliche Messung erhitzt man beim
bisher üblichen Verfahren das Knäuel langsam in einem Wasserbad.
Währenddessen misst man mit einem Laser die optische Absorption, das
heißt die Abschwächung des Lichts. Schmilzt die DNA, lockert sich das
Knäuel, und die Absorption sinkt. Ein großer Nachteil der bisherigen
Methode: eine einzige Messung dauert etwa 30 Minuten. Für einen hohen
Probendurchsatz ist das Verfahren nicht geeignet.
Dem Forscherteam ist es gelungen, ein weitaus schnelleres und
einfacheres Verfahren zur Bestimmung der DNA-Schmelztemperatur zu
entwickeln. Mit der neuen Methode lässt sich die eigentliche Messung
in weniger als einer tausendstel Sekunde durchführen. "Vor uns hat
noch niemand in so kurzer Zeit einen DNA-Defekt bestimmt" hebt Stehr
hervor.
Und das ist der Trick: Statt die Probe von außen in einem Wasserbad
langsam aufzuheizen, werden als Heizung die Gold-Nanoteilchen benutzt,
die ja sowieso schon in der Probe enthalten sind. Alles was man dazu
braucht, ist ein zusätzlicher Laser. Mit einem kurzen Licht-Impuls
lassen sich die Nanoteilchen sehr schnell aufheizen. Und da sie sich
in direkter Nähe der DNA-Moleküle befinden, werden auch diese sehr
effektiv und schnell erwärmt. Entscheidend ist, dass der Großteil der
umgebenden Lösung während der Messung nicht erhitzt werden muss. Mit
einem Messlaser wird dann die zeitliche Entwicklung der Absorption
ermittelt. Das Ganze kann man mit unterschiedlich intensiven
Laserimpulsen durchführen und damit die Wärmezufuhr variieren. Reicht
die durch den Laser-Impuls zugeführte Wärme nicht zum Schmelzen der
DNA aus, ändert das System zwar seine Absorption, kehrt aber nach dem
Abkühlen in seinen Ausgangszustand zurück. War der Impuls intensiv
genug, löst sich das DNA-Goldknäuel, und die Absorption sinkt
dauerhaft.
Stellt man die Impulsintensität so ein, dass nur eine defekte DNA
schmilzt, nicht aber eine intakte, dann lässt sich mit einer einzigen
Messung ermitteln, ob ein DNA-Stück einen Fehler aufweist oder nicht -
und das gelingt in bisher unerreichter Geschwindigkeit. Diese neue
Methode könnte der medizinischen Forschung viel Aufwand, Zeit und Geld
sparen helfen. In bestimmten Fällen könnte eine schnellere
DNA-Defektanalyse die Rettung von Leben bedeuten.
Auf das Messprinzip haben die Wissenschaftler bereits ein Patent
angemeldet. Und Joachim Stehr möchte nach seiner Promotion zusammen
mit einem Kommilitonen eine Firma gründen, um die Idee zu vermarkten.
Mit regem Interesse der biotechnologischen und pharmazeutischen
Industrie ist wohl zu rechnen. Denn aus dieser Richtung kam auch die
Anregung zur technologischen Umsetzbarkeit. So betont Feldmann: "Ohne
unsere durch die Bayerische Forschungsstiftung geförderte Kooperation
mit der Firma Roche Diagnostics in Penzberg wäre uns die
technologische Relevanz dieser aus der Grundlagenforschung stammenden
Experimente wohl verschlossen geblieben." Maßgeblich unterstützt wurde
die Arbeit durch das Exzellenz-Cluster Nanosystems Initiative Munich (NIM),
das es sich zum Ziel gesetzt hat, funktionale Nanostrukturen für
Anwendungen in der Medizin und in der Informationsverarbeitung zu
entwickeln und zu erforschen.
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