Bisherige Tests auf Keimbelastung von Lebensmitteln oder Bakterienresistenzen waren entweder langwierig oder extrem aufwändig. Jetzt haben Forscher ein besonders einfaches, universelles Fluoreszenz-Testsystem entwickelt, bei dem künstliche DNA-Moleküle Keime anhand eines ihrer Stoffwechselprodukte nachweisen. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten, muss dazu nicht einmal bekannt sein, auf welche Substanz der Test reagiert.
Keime in Lebensmitteln, Bioterrorismus, Resistenz von Bakterien und Viren – das sind einige Probleme unserer Zeit, die eine möglichst frühzeitige Erkennung von Krankheitserregern besonders wichtig machen. Traditionell werden Keime mikrobiologisch nachgewiesen, das ist zwar hochgenau, kann aber Tage oder gar Wochen dauern. PCR- oder Antikörper- basierte Methoden sind dagegen zwar schnell, benötigen aber viele Arbeitsschritte und eine spezielle Ausrüstung. Ein Forscherteam um Yingfu Li und ein Team von der McMaster University in Hamilton (Ontario, Canada), unterstützt durch das Sentinel Bioactive Paper Network, hat eine Lösung gefunden, die Vorteile beider zu vereinen.
„Uns schwebte eine besonders einfache, dabei aber rasche und genaue Methode vor“, erklärt Li. „Sie sollte zudem universell sein, das heißt, nach dem selben Prinzip sollen sich Tests für jeden beliebigen Keim entwickeln lassen. Wenn ein Krankheitskeim in einem Medium Stoffwechsel betreibt und sich vermehrt, scheidet er eine Vielzahl von Substanzen in seine Umgebung aus.Diese wollten wir nutzen.“
Künstliche DNA-Stränge als Tester
Die Idee: So genannte DNAzyme herstellen, die auf ein keimspezifisches Produkt reagieren. Unter DNAzymen versteht man künstliche einzelsträngige DNA-Moleküle mit katalytischer Aktivität. Aus einem großen Pool von DNA-Molekülen mit zufälliger Sequenz lassen sich durch wiederholte Selektions- und Amplifikationsschritte Moleküle mit der gewünschten Eigenschaft entwickeln. Herzstück des konzipierten DNAzyms ist ein einzelnes RNA-Nucleotid. Rechts und links davon sind ein Fluoreszenzfarbstoff und ein Quencher angeknüpft. Ein Quencher ist ein Molekül, das die Fluoreszenz eines Farbstoffs auslöscht, wenn er in dessen Nähe ist.
Die Forscher entwickelten ein DNAzym, das ein bestimmtes Stoffwechselprodukt von Kolibakterien bindet und dabei seine Form ändert. In dieser veränderten Form hat das DNAzym RNA-spaltende Eigenschaften und schneidet den eigenen Strang an der Stelle, an der sich das RNA-Nucleotid befindet. Damit werden Quencher und Farbstoff getrennt und der Farbstoff beginnt zu fluoreszieren. Die Fluoreszenz zeigt an, dass Kolibakterien in der Probe enthalten sind. Auf andere Bakterien reagiert dieses DNAzym dagegen nicht.
„Über eine gezielte Selektion kann im Prinzip für jeden beliebigen Keim ein spezifisches DNAzym gefunden werden“, so Li. „Dabei ist es weder notwendig, dieses Stoffwechselprodukt zu kennen noch es aus der Probe zu isolieren.“ Mithilfe eines gewöhnlichen Zellkulturschrittes lassen sich die Keime einer Probe vor dem Test vermehren, sodass sich noch eine einzelne Zelle nachweisen lässt. (Angewandte Chemie, doi: 2011: 10.1002/ange.201100477)
(Gesellschaft Deutscher Chemiker, 11.04.2011 – NPO)
