ESSENCE

Ultrasensitive markierungsfreie biomolekulare THz-Detektion für Tumor Analytik: PCR-freie Detektion, Ausweitung des biomolekularen Anwendungsbereiches und biologische Relevanz

Genomik und Proteomik versprechen, die Gesundheitsversorgung mit tiefgreifenden Visionen wie prädiktive, präventive und personalisierte Medizin zu revolutionieren. Der enorme Fortschritt in diesen Bereichen ist eng an die Entwicklung von leistungsfähigen Methoden zur Identifizierung und Analyse von Biomolekülen und deren komplexen Interaktionen gekoppelt. Moderne Techniken bieten dabei eine Fülle von Informationen. Aktuell findet dabei ein Übergang statt von der einfachen „Beobachtung“ von Abhängigkeiten hin zum systembiologischen „Verstehen“ von Mechanismen. Dies zeigt, dass neue Analyseverfahren mit erweiterten Funktionalitäten, die Informationen auf verschiedenen biomolekularen Interaktionsebenen liefern können entwickelt werden müssen.

THz-Technologien haben ein enormes Potenzial nachgewiesen, um markierungsfrei biomolekulare Systeme untersuchen zu können, da makromolekulare Schwingungen und biomolekulare Wechselwirkungen resonant in diesem Frequenzbereich sind. Dies ebnet den Weg für markierungsfreie biomolekulare Analysen. Das Ziel dieses Projektes ist die grundlegende Erweiterung der biomolekularen Analysefähigkeit mit elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich. Hierbei sind drei Aspekte von primärem Interesse:

• Empfindlichkeitssteigerung um 2 bis 3 Größenordnungen um direkte PCR-freie Detektion zu ermöglichen,
• Erweiterung der markierungsfreien Anwendung von DNA auf weitere molekulare Systeme,
• detaillierte Bewertung der Quantifizierungsfähigkeit und biologischen Relevanz solcher Analysen.

Diese Aktivität setzt auf langjährige Aktivitäten zur markierungsfreien DNA Analytik auf, die bereits eine Empfindlichkeitssteigerung um 8 Größenordnungen bis zu einer weltweit unübertroffenen sub-Femtomol Nachweisgrenze nachgewiesen haben.

Um diese Forschungstätigkeit zu fokussieren, werden sich alle experimentellen Analysen auf tumorbedingte biomolekularen Fragestellungen konzentrieren und anhand von Referenzmessungen validiert werden. Gerade im Bereich der Tumorforschung wird immer deutlicher, dass der traditionelle wissenschaftliche Ansatz, der die Zellfunktion auf einzelne Komponenten und Signalübertragungswege zu reduzieren versucht, nicht ausreichend ist. Anhand von Korrelationsanalysen wird offensichtlich, dass das Verhalten eines biologischen Systems, insbesondere solches mit Auswirkungen auf Tumore, nicht auf ein einzelnes Molekül oder Reaktionsweg zurückgeführt werden kann, sondern das Ergebnis von Wechselwirkungen auf unterschiedlichen biomolekularen Ebenen darstellt. In diesem Projekt wird untersucht und quantitativ validiert werden, inwieweit THz-Sensoren auf Basis von frequenzselektiven Oberflächen solche multi-level biomolekularen Analysen auf einem für die biomedizinische Anwendung adäquaten wettbewerbsfähigen Sensitivitäts- und Spezifizitätslevel ermöglichen können.

Das Projekt ist Teil des DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) geförderten SPP 1857 (Schwerpunktprogramms) ESSENCE (Elektromagnetische Sensoren für Life Sciences). Weiterführende Informationen sind auf der Projekt-Webseite verfügbar.