Handheld erkennt Krankheitserreger in nur 30 Minuten

Damit lassen sich Tests auf Tuberkulose oder HIV durchführen. Der tragbare Pathogen-Detektor soll sich in Entwicklungsländern bewähren. Die Bill & Melinda Gates Foundation fördert das Projekt.

Forscher der Cornell University arbeiten an einem Pathogen-Detektor für schnellere Tests auf Erkrankungen wie Tuberkulose, Gonorrhö und HIV. Das portable Gerät wird seine Ergebnisse innerhalb von rund 30 Minuten liefern. Es soll sich im Gesundheitswesen von Entwicklungsländern bewähren und Wartezeiten von mehreren Tagen vermeiden, bis Testresultate vorliegen.

Dan Luo, Professor für Biologie- und Umweltingenieurwesen, setzt synthetische DNA ein, um Proben pathogener DNA, RNA oder Proteine zu verstärken. Edwin Kan, Professor für Elektro- und Computertechnik, hat im Gegenzug einen Computerchip entwickelt, der schnell auf die durch Luos Methode verstärkten Proben reagiert. Beides soll in einem tragbaren Gerät kombiniert werden, um den Einsatz vor Ort und unter schwierigen Umständen zu ermöglichen.

Die Bill & Melinda Gates Foundation unterstützt dieses und ähnliche Projekte mit ihrem Programm Grand Challenges. Zwölf Forscherteams, ausgewählt aus über 700 Bewerbungen, erhielten insgesamt 25 Millionen Dollar für die Entwicklung von Geräten für „Point-of-Care-Testing“ (patientennahe Labordiagnostik) in Entwicklungsländern. Die Teams arbeiten an verschiedenen technischen Aspekten. Nach Angaben von Dan Luo könnte aus ihren Arbeiten eine Art Basisausrüstung oder ein Prüfkoffer entstehen.

Luos Forschergruppe entdeckte, dass DNA „auf molekularer Ebene wie Lego-Steine“ eingesetzt werden kann. Ein einzelner DNA-Strang verbindet sich mit einem anderen, der einen komplementären genetischen Code hat. Mit künstlichen DNA-Strängen in unvollständiger Länge kann das Team ungewöhnliche Formen erzeugen – in diesem Fall ein Y. An der Basis des Y befindet sich ein DNA-Strang oder Antikörper, der dafür gedacht ist, sich mit einem Krankheitserreger zu verbinden. An einem der oberen Arme wiederum ist ein Molekül angeordnet, das unter ultraviolettem Licht polymerisiert, sich also mit ähnlichen Molekülen verbindet.

Y-förmige DNA-Strukturen verbinden sich, wenn Krankheitserreger vorhanden sind. Es bilden sich Molekülketten und Cluster, die leicht nachzuweisen sind (Bild: Luo Lab/Cornell University)
Y-förmige DNA-Strukturen verbinden sich, wenn Krankheitserreger vorhanden sind. Es bilden sich Molekülketten, die leicht nachzuweisen sind (Bild: Luo Lab/Cornell University)

Geraten Krankheitserreger in eine Lösung dieser Y-DNA-Moleküle, verbinden sich die Y-Schafte mit deren Molekülen. Da zwei verschiedene Y-Strukturen vorhanden sind, die sich mit jeweils unterschiedlichen Teilen des Krankheitserregers verbinden, formieren sich Doppel-Ypsilons, jeweils zusammengehalten durch ein Pathogen-Molekül. Diese wiederum bilden unter ultraviolettem Licht lange Molekülketten, die sich zu einer größeren Masse verklumpen.

Der von Edwin Kan entwickelte Chip misst nun sowohl Masse als auch Ladung der Moleküle. Haben sich die Werte durch Polymerisation verändert, die nur beim Vorhandensein von Pathogenen erfolgt, schlägt der Detektor an. Der Chip setzt kostengünstige CMOS-Technik ein, kompatibel zu vielen elektronischen Geräten. Dan Luo hält es für denkbar, dass er etwa durch ein Mobiltelefon angesteuert und mit Energie versorgt wird.

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