Biohybride DNA:Metall-Quantencluster basierte Sensor-Plattformtechnologie

Neuartige Sensorkonzepte wie Lab-on-a-Chip (LOC)-Technologien ermöglichen die Detektion und Quantifizierung von Analyten auch in Laboren mit einfacher Grundausstattung und wenig geschultem Personal. Heutzutage sind diese Technologien wichtige und leistungsfähige Diagnosewerkzeuge im Gesundheitswesen und werden zunehmend auch im industriellen Umfeld der Bioökonomie eingesetzt. Die derzeitige LOC-Technologie ist jedoch keine All-in-One-Lösung, da sie nicht den Nachweis mehrerer Analyten erlaubt und Limitierungen in Bezug auf Kosten, Empfindlichkeit, einfache Handhabung und Haltbarkeit aufweist. Im Projekt BioQuant sollen die bestehenden Limitierungen aktueller Biosensoren überwunden werden, indem eine neuartige Klasse biologischer Nanomaterialien – DNA-stabilisierte Metallquantencluster (QC:DNA) - mit Mikrofluidik kombiniert werden, um die nächste Generation von LOC-basiertenTechnologien für industrielle Anwendungen zu entwickeln.

Um dieses Ziel zu erreichen, soll in Bioquant durch die transdisziplinäre Expertise der Partner in den Bereichen der Molekularbiologie, Quantenphysik, Chemie und Ingenieurwesen, eine einzigartige Technologieplattform auf Basis von Metall-DNA-Kompositmaterial entwickelt werden, welche ultrasensitive Nachweisverfahren im industriellen Umfeld ermöglicht. Das Projekt kombiniert:

1) maßgeschneiderte QC:DNAs mit abstimmbaren Fluoreszenzeigenschaften als empfindliche, schnelle und kostengünstige Sensoren für verschiedene Anwendungen mit optimierter Zielspezifität;

2) fluoreszenzbasierte Auslesesysteme für Multiplexanwendungen; und

3) mikrofluidische LOC-Geräte mit oberflächenimmobilisierten oder schwimmenden QC:DNAs zur Maximierung der Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der Zielmoleküldetektion in Lösung

Um das industrielle Potenzial der BioQuant-Technologie zu demonstrieren, wird sich das Projekt auf die Detektion verschiedener Gruppen von Analyten konzentrieren, die wichtige Produktverunreinigungen in biotechnologischen und industriellen Prozessen darstellen: Toxine in Lebens- und Futtermitteln sowie anthropogene pharmazeutische Rückstände in Wasser. Die ehrgeizige langfristige Vision des Projekts ist es, verschiedene Moleküle mit Hilfe eines miniaturisierten tragbaren Geräts, das für Anwendungen wie Umwelt- und Lebensmittelanalytik sowie Point-of-Care (PoC)-Diagnostik geeignet ist, aufzuspüren, um eine schnellere und kostengünstigere, empfindlichere, zuverlässigere und bequemere Multiplex-Detektion von Analyten wie Toxinen, Krankheitserregern und  Prozessverunreinigungen im Vergleich zu bestehenden Methoden und Technologien zu erreichen.

Arbeitsschritte: Um das Vorhabensziel zu erreichen, sind folgende Arbeiten geplant: (1) Design und Entwicklung von maßgeschneiderten QC:DNAs mit abstimmbaren Fluoreszenzeigenschaften, bestehend aus DNA und Metallionen für den spezifischen Nachweis von zwei repräsentativen Klassen von Analyten: Toxine und
Arzneimittelrückstände. (2) Engineering von QC:DNAs mit ausgewählten Biomolekülen zur Verbesserung ihrer Bindungseigenschaften für eine optimale Target-Detektion. (3) Immobilisierung der fein abgestimmten funktionalen QC:DNAs auf vorfunktionalisierten Chipoberflächen. (4) Integration der funktionalisierten QC:DNAs in ein mikrofluidisches Gerät für die Online/Inline-Analytik und (5) Demonstration der schnellen und hochspezifischen Detektion von Analyten in einem tragbaren biohybriden, mikrofluidischen System im Labormaßstab.