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Gemeinsame Pressemitteilung von KIST Europe und Universität des Saarlandes
Von Arsen, Blei und Cadmium bis Quecksilber und Zink: Aus Industrie und Bergbau, aber auch etwa durch Autoabgase, Landwirtschaft, Pflanzenschutzmittel, Abfälle oder auf natürlichem Wege wie durch Vulkane gelangen Schwermetalle in Umwelt und Gewässer. Nehmen Pflanzen und Tiere diese auf, geraten die Schadstoffe in die Nahrungskette und landen schließlich im menschlichen Körper. Reichern sie sich in Organen und Geweben an, können sie der Gesundheit und durch die so in Summe entstehenden Kosten auch der Gesellschaft schaden.
An diesem Punkt setzt ein Projekt an, bei dem Forscherinnen und Forscher der Universität des Saarlandes und des KIST Europe zusammenarbeiten: „Unser Ziel ist es, Schwermetalle aus Gewässern zu entfernen. Hierfür entwickeln wir fachübergreifend eine neuartige Methode“, sagt der Experimentalphysiker Uwe Hartmann von der Universität des Saarlandes. Schwärme aus biologischen „Nano-Angeln“ sollen die Schwermetall-Teilchen fest an den Haken nehmen und ihren Fang aus dem Wasser befördern. Die Saarbrücker Physiker entwickeln derzeit die Technologie, um die Schwermetalle in Gewässern aufzuspüren. Die Mikrobiologen am KIST Europe bauen die Nano-Angeln, die die Partikel im Wasser einfangen.
Molekulare Bindungsspezialisten fischen Schwermetallpartikel auf
Hierfür nutzt die Molekularbiologin Nuriye Korkmaz Zirpel eine spezielle Labortechnik, die sonst unter anderem zum Einsatz kommt, um neue Wirkstoffe zu entwickeln: das sogenannte Phagen-Display. „Phagen sind Viren, die für Menschen und Tiere ungefährlich sind. Sie befallen ausschließlich Bakterien und können sich ohne ihre Wirtsbakterienzellen nicht eigenständig vermehren“, erklärt die promovierte Forscherin. Phagen haben eine besondere Eigenschaft: Sie können Teilchen festhalten. Dies geschieht mit einer Art molekularem Angelhaken. „Dabei handelt es sich um Peptide auf der Oberfläche der Viren. In unserem Fall sollen diese die Schwermetallionen binden“, erläutert Nuriye Korkmaz Zirpel.
Die Forscherin sucht am KIST Europe zunächst nach den passenden „Angelhaken-Peptiden“. Dazu verändert sie die DNA der Viren so, dass auf ihrer Oberfläche verschiedene Peptid-Haken entstehen. Um herauszufinden, welche Phagen und Peptide die Schwermetallpartikel besonders gut einfangen können, bringt die Forscherin Milliarden dieser unschädlichen Viren mit den Schwermetallen in Kontakt. Sie wählt die erfolgreichsten Kandidaten aus und vermehrt diese. Zusätzlich verändert sie die Virenoberfläche so, dass auf ihr nicht nur ein einzelner, sondern zahlreiche der effektivsten Peptid-Haken wachsen. Am Ende soll ein „Phagen-Display“ aus hochleistungsfähigen Bindungsspezialisten entstehen. „Diese Bindungseinheiten werden selektiv ihr Zielmolekül erkennen und als Biorecognition-Einheit, also als Biosensor, weiter verwendet werden“, sagt Nuriye Korkmaz Zirpel.
Empfindliches Sensorsystem für den Schadstoff-Fang
Die Saarbrücker Experimentalphysiker aus Professor Uwe Hartmanns Forschungsgruppe entwickeln die Technologie, mit der sich die an die Phagen gebundenen Schwermetallpartikel nachweisen lassen, um sie anschließend herauszufischen. Die Arbeitsgruppe ist spezialisiert auf hochempfindliche Sensoren und deren vielseitigen Einsatz in praktischen Anwendungen. „Wir entwickeln im Rahmen dieses Projekts ein tragbares Bio-Sensorsystem auf Basis von Feldeffekttransistoren, um zu prüfen, ob die Phagen Schwermetallpartikel aufnehmen“, erläutert der promovierte Physiker Haibin Gao aus Hartmanns Team.
Feldeffekttransistoren, kurz FETs, sind vom Prinzip her elektronische Schalter, die den Fluss von elektrischem Strom steuern. Schon kleinste Änderungen der elektrischen Umgebung am Transistor verändern den Stromfluss und erzeugen messbare Signale. Die Forscher trainieren die Sensoren darauf, gezielt Veränderungen durch verschiedene Schwermetalle aus den empfangenen Signalen herauszulesen, und sensibilisieren sie, diese sehr zuverlässig zu erkennen.
Dabei passen die Forscher die Bauelemente der Feldeffekttransistoren speziell an die besonderen Anforderungen an, die sich bei den mit Peptiden an Viren gebundenen Schwermetallpartikeln stellen. „Im Rahmen des Projekts werden wir hierfür Feldeffekttransistoren mithilfe von Laserlithografie und Sputterverfahren entwerfen und herstellen“, erläutert Haibin Gao die Technologie. Dies sind beides Verfahren, mit denen die Forscher die Sensoren so strukturieren und beschichten, dass diese die jeweiligen Schadstoffe sehr genau detektieren. „Um die Empfindlichkeit weiter zu verbessern und eine höhere Nachweisleistung für Schwermetalle zu erreichen, bringen wir außerdem Kohlenstoffnanoröhren als Material für den FET-Kanal zum Einsatz“, erklärt der Physiker.
Das Forschungsteam erprobt seine Technologie im Rahmen zahlreicher Testreihen mit Wasserproben. „Wir testen derzeit die erste Generation des FET und gehen davon aus, dass wir das Konzept schon sehr bald demonstrieren können“, erklärt Haibin Gao. „Auf längere Sicht arbeiten wir unter anderem daran, zu klären, wie wir Interferenzen, also Einflüsse, die die Messungen stören, mittels Algorithmen auf Basis von Künstlicher Intelligenz minimieren können“, sagt der Forscher.
Nachdem die Schwermetallpartikel von den Feldeffekttransistoren erkannt und mithilfe der Phagen-Angeln dingfest gemacht werden können, gilt es auf längere Sicht, Methoden zu erforschen und zu entwickeln, sie mit umweltfreundlichen Verfahren aus dem Wasser heraus zu befördern. „Perspektivisch wollen wir beispielsweise versuchen, die Phagen zusätzlich mit magnetischen Nanopartikeln zu verbinden, so dass die Komplexe mit Magneten aus dem Wasser entfernt werden könnten“, sagt Uwe Hartmann. „Wir werden der Frage nachgehen, wie wir den Schwermetall-Nachweis und das Verfahren zur Entfernung der Schwermetalle in der praktischen Anwendung am besten kombinieren können. Auch werden wir daran arbeiten, mehrere Schwermetalle zugleich zu analysieren, um die Methode effektiver zu machen“, wirft Uwe Hartmann einen Blick in die Zukunft dieser neuartigen Technologie.
Das Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitales und Energie des Saarlandes fördert das Projekt im Rahmen des Programms "Investitionen in Beschäftigung und Wachstum" des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) mit rund 580.000 Euro.
Fragen beantworten
Prof. Dr. Uwe Hartmann: 0681/3023799; E-Mail: uwe.hartmann(at)uni-saarland.de
Dr. Haibin Gao: 0681/3023654, E-Mail: haibin.gao(at)uni-saarland.de
Dr. Nuriye Korkmaz Zirpel, 0681/9382252; E-Mail: n.korkmaz(at)kist-europe.de
Pressefotos zum Download:
Die Pressefotos können Sie mit Namensnennung des Fotografen als Fotonachweis honorarfrei in Zusammenhang mit dieser Pressemitteilung und der Berichterstattung über die Universität des Saarlandes verwenden.
