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Methoden und Technologien

Pathogenerkennung

Jeder Organismus kann durch spezifische Strukturen an seiner Zelloberfläche identifiziert werden. Diese Strukturen können von Pathogenen wie Viren, Bakterien und Pilzen benutzt werden, um an ihren Wirt anzudocken und ihn zu infizieren. Aber auch Pathogene besitzen spezifische Oberflächenstrukturen, die von Antikörpern erkannt und durch deren Bindung das Pathogen unschädlich gemacht werden kann. Der Mechanismus dieser spezifischen Pathogen-Wirt Wechselwirkung wird im Taschentuchlabor benutzt, um verschiedene Krankheitserreger zu detektieren.

Zunächst werden Minimalstrukturen identifiziert, die eine Bindung des Pathogens ermöglichen. Dies können zum einen kurze Peptide, aber auch spezifische Glycanstrukturen sein. Durch die Anordnung der Bindestrukturen an einem Gerüst kann ein "Superantikörper" generiert werden, der das gesuchte Pathogen bindet. Um aus den komplexen Oberflächen- und Antikörperstrukturen die geeigneten Minimalstrukturen herauszufiltern und neue, artifizielle Binder aufzubauen, sind umfangreiche Screening- und Synthesearbeiten notwendig. Dazu genutzt werden die Potentiale der Arraytechnologien ebenso wie die Erschließung von cDNA-Banken von Erregergenomen und Antikörpertechnologien.


Aufbau einer Gerüststruktur

Für den Aufbau eines "Superantikörpers" ist es notwendig, Gerüststrukturen zu entwickeln, an die identifizierte Peptide oder Glycane gebunden werden können. Diese Gerüststrukturen müssen flexibel genug sein, um eine vielfältige Kombination multipler Erkennungsdomänen zu ermöglichen aber auch stabil genug, um eine Verankerung der Superantikörper an die Substrate und eine Signalkopplung zu ermöglichen.

Die Grundlage des Polymergerüstes bilden funktionale, biologisch inerte Hydrogele. Eine flexible Gestaltung der Gerüstsysteme und Anbindemöglichkeiten führt zu einer hochvariablen Plattformlösung, die auf die Erkennung unterschiedlicher Erreger angepasst werden kann. Unabhängig von einer Signalgenerierung durch nachgeschaltete Kaskaden kann eine Entwicklung von Hydrogelen, die ihre physikalischen Eigenschaften direkt nach Bindung des Analyten verändern, zu Polymergerüsten mit integrierter Signalgenerierung führen.


Signalgenerierung

Die Bindung eines Pathogens soll zu einem optisch leicht auslesbaren Signal führen, dass ohne zusätzliche technische Hilfsmittel erkannt werden kann. Aufgrund der Größe des Pathogens und der Häufigkeit der Bindungsereignisse genügt eine einfache Signalgenerierung nicht - sie muss mit einer Signalverstärkung verbunden werden.

Ein Weg zu optisch leicht auslesbaren Signalen führt über die Nutzung von Redoxreaktionen, die als Antwort auf ein Bindungsereignis generiert werden. Ein enger räumlicher Kontakt zwischen Bindungsfunktion und Redoxpartnern findet durch die Kopplung an dasselbe Polymergerüst statt. Durch den engen räumlichen Kontakt der Redoxpartner am Polymergerüst können chemische und elektrische Signale effizient weitergeleitet werden. Am Ende der Redoxreaktionskaskade findet eine gekoppelte Enzymreaktion statt, wodurch eine auswertbare Farbänderung induziert wird.

Ein weiterer Ansatz umgeht den Umweg über Redoxreaktionen, indem Chromophorsysteme eingesetzt werden. Durch Bindung des Erregers wird eine Veränderung in der Umgebung der Chromophore induziert, wodurch ihr Absorptions- bzw. Emissionsverhalten verändert wird. Diese Veränderung kann direkt erkannt werden.


Soft Matter

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