Neue Biosensoren für Antibiotika
Antibiotika finden sich in der Nahrung, im Trinkwasser und Gewässern und stellen dort eine Gefahr für Gesundheit und Sicherheit dar, die ständig zu überwachen sein wird. Gemäß EU-Vorschriften müssen Nahrungsmittelhersteller ihre Produkte auf Spuren von Antibiotika untersuchen. Konventionell wird die Verunreinigung von Wasser mit Chemikalien wie Antibiotika mit Flüssigchromatografieverfahren in Kombination mit massenspektrometrischen Analysen untersucht. Die Erkennung von Antibiotika erfordert allerdings leistungsfähigere Sensoren, die ihr Vorkommen in verschiedenen Umgebungen präzise, schnell und kostengünstig anzeigen können. Forscher des EU-finanzierten Projekts DrugSense wollen innovative Sensoren entwickeln. Deren Funktionsweise soll auf Molekülen bakterieller RNS basieren, die genau die Gene an- und ausschalten können, die für Antibiotikaresistenzen verantwortlich sind. RNS-Aptamere werden immer häufiger in der Entwicklung von Biosensoren eingesetzt, um das untersuchte Analyt mit hervorragender Empfindlichkeit zu binden, ähnlich wie bei der Affinität von Antikörpern. Andere Ansätze zum Nachweis von Antibiotika basieren zum einen auf der Immobilisierung von Enzymen, die bestimmte Antibiotika wie zum Beispiel Penizillin aufspalten, woraufhin sich der pH-Wert der Zielstichprobe verändert, und zum anderen auf funktionalisierten Goldnanopartikeln. Antibakterielle Mechanismen nutzen „Das Konzept von DrugSense arbeitet mit den bewährten Mechanismen, die Bakterien entwickelt haben, um Angriffe von Antibiotika abzuwehren“, erklärt Projektkoordinator Professor Rotem Sorek. Zu diesen Mechanismen zählen unter anderem die enzymatische Zersetzung von Antibiotikamolekülen, Ausspülen aus den Zellen mit Hilfe spezieller Pumpen und Schutz von Angriffszielen der Antibiotika durch entsprechende chemische Veränderungen. Resistenz gegen Antibiotika schwächt allerdings meist die Gesundheit der Bakterien. Darum nutzen Bakterien Regulationsmechanismen: sie spüren die Anwesenheit von Antibiotika und aktivieren selektiv das jeweilige Resistenzgen, aber nur solange dieses Antibiotikum angreift. Aktuellen Forschungsergebnissen zufolge nutzen Bakterien neben klassischen Transkriptionsfaktoren auch cis-wirkende nichtkodierende RNS (engl. ncRNA) als Antibiotikasensoren. Das Team von DrugSense hatte bereits in früheren genomweiten Studien Moleküle der RNS – sogenannte Riboregulatoren – identifiziert, die auf die Anwesenheit von Antibiotika mit der Abschaltung von Ribosomen reagieren und so die Expression von Genen zur Antibiotikaresistenz kontrollieren. Dieser Mechanismus scheint sowohl bei krankheitserregenden als auch bei kommensalen Bakterien zu wirken. Innovative Biosensoren auf Basis bakterieller RNS-Moleküle „Diese Riboregulatoren können also als effiziente Antibiotikasensoren wirken“, so Professor Rotem Sorek, „und wir werden sie einsetzen, um einen Prototyp eines hochempfindlichen Biosensors zu entwickeln, der Spuren verschiedener Antibiotika in Nahrungsmitteln, Wasser und anderen Substanzen schnell und kostengünstig entdecken kann.“ Im Rahmen von DrugSense griffen die Wissenschaftler auf frühere Erkenntnisse zurück, um ihren Antibiotikasensor bioverfahrenstechnisch zu entwickeln. Gleichzeitig nutzten sie umfassende Marktforschung, um den Bedarf genau zu bestimmen, die Konkurrenz zu analysieren und Marktsegmente auszumachen, in denen der Biosensor gegenüber bestehenden Produkten deutliche Vorteile hat. Mit Blick auf die Zukunft wünscht sich Professor Sorek, „einen Prototyp auf Basis einer urheberrechtlich geschützten Machbarkeitsstudie, der weitere Investoren anzieht und so dabei hilft, unsere Technologie auf den Markt zu bringen.“
Schlüsselbegriffe
DrugSense, Antibotika, Bakterien, Resistenz, Biosensor, RNS
