„Es ging uns darum, schnellere Methoden als die bisher etablierten Kultivierungsmethoden zu finden“

Foto: Lachender Mann mit blauen Hemd

Grund genug für das Institut für Photonische Technologien in Jena ein Symposium zum Thema „Nanotechnologien für die Trinkwasserreinheit – DNA-Nano-Sensors“ durchzuführen. COMPAMED.de fragte Doktor Wolfgang Fritzsche, welche Projekte das Institut derzeit bearbeitet und was das Thema so aktuell macht.

COMPAMED.de: Herr Dr. Fritzsche, wie ist es um die Trinkwasserreinheit bei uns und in anderen Industrieländern bestellt?

Wolfgang Fritzsche: In allen Trinkwasseranlagen lauert die Gefahr, dass Bakterien darin wachsen können. Legionellen zum Beispiel, das sind Bakterien, die sich besonders im warmen Wasser wohlfühlen. Sie gedeihen bei 40 Grad sehr gut und können erst bei 60 Grad zuverlässig abgetötet werden. In Trinkwasseranlagen, die nicht über 60 Grad erwärmt werden, kommen sie durchaus vor – und gelangen so etwa durch das Duschwasser in die Atemwege, wo sie zu Infektionen führen können.

Deshalb ist man sehr bemüht neben Kontrollgesetzen, die vorschreiben wie oft und wie genau das Trinkwasser getestet werden muss, Testmethoden für die Wasserreinheit zu entwickeln, die schneller und kostengünstiger als die herkömmlichen Methoden sind – und die man aus dem mikrobiologischen Labor raus näher an den Anwender bringen kann. Das waren die Triebkräfte, die dieses Projekt angeschoben haben.

COMPAMED.de: Im Projekt werden zwei verschiedene Verfahren beleuchtet. Zum einen chipbasierte Verfahren, zum anderen die sogenannte Raman-Spektroskopie. Warum diese zwei unterschiedlichen Methoden?

Fritzsche: Es ging uns darum, schnellere Methoden als die bisher etablierten Kultivierungsmethoden zu finden. Denn derzeit sind angelegte Bakterienkulturen der Standard, bei der die Bakterien visuell identifiziert werden. Unsere Ansätze sind gänzlich anders. Auf der einen Seite möchten wir einen Chip entwickeln, der basierend auf extrahierter Nukleinsäure arbeitet. Wir werden zunächst mit Bakterien-DNA arbeiten und dann zu RNA übergehen. Das Prinzip der Polymerase-Kettenreaktion, kurz PCR, kommt hier zur Anwendung. Mithilfe eines DNA- oder RNA-Chips kann ein bestimmtes Bakterium nachgewiesen werden.

 
 

Foto: Goldene Bio-Chips

 
 

Unserer Verfahren hat jedoch den Vorteil, dass wir mehrere Sequenzen gleichzeitig vervielfältigen können und im Nachhinein dann mithilfe des DNA-Chips diese Sequenz noch mal unterscheiden können. Wir fahren also nur eine Vervielfältigungsreaktion, können damit jedoch mehrere Komponenten, falls vorhanden, auseinanderhalten und identifizieren.

Bezüglich der Raman-Spektroskopie ist die Idee des Projekts, Bakterien bis hin zu Gattung und Art zu unterscheiden, in dem man die Möglichkeit der Schwingungsspektroskopie nutzt. Das ist ähnlich wie die Infrarotspektroskopie, es erfordert allerdings Voruntersuchungen, zum Beispiel das Anlegen einer Spektrum-Bibliothek, sodass man weiß, welches Spektrum zu welcher Art und Gattung gehört –das ist ein sogenannter chemometrischer Ansatz. Man erkennt eine bestimmte Art an einem bestimmten Muster. Dieses Verfahren ist an der Universität Jena im Institut für Physikalische Chemie entwickelt worden und soll nun im aktuellen Projekt für diesen speziellen Einsatzfall, also Pathogene in Trinkwasseranlagen zu erkennen, etabliert werden. Neben der Erkennung der Pathogene ist allerdings auch die Probenvorbereitung ein Problem, denn die Erreger liegen in Trinkwasseranlagen nicht unbedingt isoliert vor, sondern vorrangig in Biofilmen. Das ist eine komplexe Schicht, die einerseits die Isolation erschwert und die andererseits die Entfernung durch chemische Bekämpfung beschränkt. Für diese Probleme sollen im Projekt Lösungen gefunden werden.

COMPAMED.de: Sollen die beiden Methoden getrennt oder gemeinsam zum Einsatz kommen?

Fritzsche: Ich würde sagen, sie sollen hintereinander geschaltet werden. Die Raman-Methode erlaubt, wenn sie etabliert ist, eine sehr schnelle Identifizierung von Organismen. Wenn eine Probe auf dem Objektträger ist, dann kann man diese höchstwahrscheinlich innerhalb von einer halben Stunde identifizieren – das ist aber derzeitig noch sehr aufwendig, da die Geräte sehr groß sind. Darüber hinaus erfordert die Identifizierung große Expertise, während der Ansatz beim Biochip ein anderer ist. Hier ist man etwas weiter, das Verfahren ist länger etabliert. Deswegen hoffen wir, dass man das Personal später leichter anlernen kann. Es soll für den Nutzer einfach sein, es sollte schnell eine klare Entscheidung geben.

COMPAMED.de: Biochips finden bereits in verschiedenen medizinischen Gebieten Anwendung. Soll es auch bei Ihnen so sein, dass der Anwender nur noch einen Tropfen der zu untersuchenden Lösung, in diesem Fall Wasser, auf den Chip gibt und anschließend ein Auslesegerät das Ergebnis anzeigt? Konnten Sie vielleicht sogar auf einem bestehenden System aufbauen?

Fritzsche: In der Tat ist der Ansatz bei einigen Biochips ähnlich, da könnte man drauf aufbauen. Unser Schwerpunkt ist zunächst allerdings die Probenvorbereitung. Die Probenaufbereitung ist immer vom Einzelfall abhängig und sie erfordert die Zusammenarbeit mit dem Experten des jeweiligen Arbeitsgebietes. Denn natürlich könnten wir als Technologieentwickler eine allgemeine Lösung entwickeln und dann zur Verfügung stellen. Das ist aber nicht sinnvoll, weil eine allgemeine Lösung nicht umfassend genug ist. Wir müssen die Probevorbereitung mit einbeziehen, das heißt, die Spezifika einer speziellen Probenvorbereitung. Schwierigkeiten treten immer erst nach der Spezifizierung eines Problems auf, die allerdings nur der Experte erkennt, weshalb wir das Problem dann in Zusammenarbeit lösen müssen.

 
 

Foto: Blauer Chip wird mit Pinzette in Auslesegerät gelegt

 
 

COMPAMED.de: Eröffnet Ihnen die Nanotechnologie dabei neue Spielräume?

Fritzsche: Die Nanotechnologie erlaubt uns im Fall des Chips, auf relativ kleinem Platz zu arbeiten. Die Auslesetechnik selbst kann von metallischen Nanopartikeln profitieren, indem anstelle des oft schwierig zu unterscheidenden optischen Grenzwertes eine elektrische Messung vorgenommen werden kann. Neben einer klareren Antwort können so auch die nötigen Auslesegeräte vereinfacht sowie verkleinert und damit kostengünstiger werden. Somit kann die Nanotechnologie Lösungen bereithalten für einen breiteren Einsatz von bioanalytischer Messtechnik.

Das Interview führte Simone Ernst.
COMPAMED.de