DJ INTERVIEW/Pandemie-Warnung mit DNA: US-Chemiker erhält Merck-Preis
Von Stefanie Haxel
FRANKFURT (Dow Jones)--Lässt sich mit einem Partikel in Nanometer-Größe aus Strängen des Erbmoleküls DNA ein mögliches Frühwarnsystem für die nächste Pandemie entwickeln? Dieser Frage geht seit dem Ausbruch von Covid-19 der US-Chemieprofessor Khalid Salaita von der Emory University in Atlanta im US-Bundesstaat Georgia nach. Ihm ist es mit seinem Forschungsteam gelungen, einen Partikel aus synthetischem DNA-Material zu bauen, der sich wie ein "Motor" in Bewegung setzen lässt und beim Auftreten bestimmter Viren in der Luft stoppt. Salaita bekommt für die Entwicklung an diesem Dienstag den Forschungspreis des Darmstädter Life-Science- und Pharmakonzerns Merck verliehen.
Genutzt werden könnte ein solches Frühwarnsystem beispielsweise in öffentlichen Räumen wie Krankenhäusern oder Schulen. Mit seiner Hilfe könnten möglicherweise Gesundheitsbehörden die Ausbreitung von Viren und damit von großflächigen Infektionen eindämmen. Könnte man "Hotspots" mit hoher Viruskonzentration "in Echtzeit" identifizieren, dann könnte auch im Falle einer Pandemie eine "Gesellschaft mit minimaler Beeinträchtigung des täglichen Lebens und der Produktivität arbeiten und funktionieren", glaubt der Forscher.
Die Basis für das System, den winzigen "DNA-Motor", hat Salaitas Forschungsteam schon 2016 im Rahmen von Grundlagenforschung entwickelt: Er basiert auf einer Technik, die als DNA-Origami bekannt ist. Die japanische Kunst des Papierfaltens wird in diesem Fall an DNA-Strängen angewandt.
Als "Treibstoff" des "Motors" dient dabei RNA. Salaita nutzt hier den Umstand aus, dass Ribonukleinsäure mit Basenpaaren ausgestattet ist, die komplementär zu jenen der DNA sind. Vereinfacht ausgedrückt ragen aus dem Nano-Motor DNA-Bruchstücke wie Füße heraus, die von der RNA gebunden werden. Zerstört nun ein Enzym die gebundene RNA, werden die DNA-Füße von weiterer RNA nach vorne gezogen und der Motor kommt ins Rollen. Möglich ist dies etwa auf einem kleinen Glasobjektträger, mit einer RNA-Schicht ausgelegt ist.
"Wir nutzen die DNA nicht wegen ihrer Fähigkeit, genetische Informationen zu speichern", sagte Salaita im Gespräch mit Dow Jones Newswires. "Wir verwenden die DNA vielmehr so, wie man sich Ziegel und Mörtel vorstellt, um Dinge zu bauen."
Nach dem Ausbruch der Corona-Pandemie hätten sich die Forscher die Frage gestellt, ob man diesen Motor nicht dafür nutzen könnte, um Covid-19 oder andere Viren aufzuspüren.
"Da es sich um eine molekulare Maschine handelt, dachten wir, dass sie so konstruiert werden könnte, dass sie dann zum Stillstand kommt, wenn sie auf ein Virus trifft", sagte Salaita. Den Forschern gelang es, den dreidimensionalen, mit DNA beschichteten Partikel so zu konstruieren, dass ein Covid-Virus daran andocken kann. Das Virus blockiert dabei die Basen, sodass sie sich nicht mehr mit jenen der RNA verbinden können. Nicht nur die Existenz eines Virus, auch der Grad der Virenkonzentration in der Luft lässt sich so feststellen.
Bewegung und Stillstand der Motoren beobachteten die Forscher bei ihrem Prototyp mit Hilfe einer vergrößernden Linse auf der Kamera eines Smartphones. Dafür brauche es keine übermäßig starke Vergrößerung. "Unser einfachstes Lesegerät war eine kleine Plastiklinse, die mit Doppelklebeband an einer Smartphone-Kamera befestigt wurde", sagte Salaita. Eine 100-fache Vergrößerung lasse ein 5 Mikrometer großes Objekt 0,5 Millimeter groß erscheinen. Das sei ausreichend groß für das menschliche Auge.
Das Frühwarnsystem, an dem Salaita arbeitet, "basiert auf der Idee, dass sich diese Motoren kontinuierlich bewegen und beobachtet werden. Und sobald ein Krankheitserreger auftritt, werden die Motoren abgewürgt." Noch sind die Winzlinge für einen Dauerbetrieb nicht ausgelegt: Etwa weil der RNA-Treibstoff ausgehen kann, oder weil das verwendete Enzym nur begrenzt stabil ist. "Wir müssen Wege finden, den Treibstoff zu regenerieren und Enzyme zu entwickeln, die robuster sind und wochenlang bei Raumtemperatur laufen können, anstatt über Nacht", sagte Salaita.
Auslesen und weitergeben lasse sich die Information dann beispielsweise mit Hilfe eines Smartphones, das über eine GPS-Funktion und eine Internetverbindung verfügt. Während sich die Kosten für die DNA-Motoren pro Testgerät im Cent-Bereich bewegen, ist ein Smartphone zum Auslesen der Information jedoch vergleichsweise teuer.
Das Preisgeld von Merck in Höhe von 500.000 Euro in diesem Jahr will Salaita dafür verwenden, um ein insgesamt erschwingliches Überwachungsgerät zu entwickeln. Die Forschergruppe kam bereits auf die Idee, statt eines Smartphones Mikroprozessoren zu verwenden, die etwa in einem smarten Toaster oder Kühlschrank verbaut sind. Solche Chips kosten nur ein paar Dollar und verfügen über Bluetooth, eine Kamera und eine WLAN-Funktion.
"Das ist eigentlich alles, was wir brauchen: einen Mikroprozessor, der eine Kamera eingebaut hat", sagte Salaita. Derzeit wird im 3D-Drucker ein Kunststoffgehäuse hergestellt, in das dann ein Mikroprozessor und eine Linse zur Visualisierung integriert werden - für gerade mal 10 Dollar pro Stück. "Dies ist ein Gerät, das wir jetzt im Labor verwenden", sagte der Professor: "Wir wollen dies ausweiten und sehen, ob wir Systeme schaffen können, die noch billiger sind."
Bis zur nächsten Pandemie soll das System Wirklichkeit werden: "Wir hoffen, dass wir in den nächsten zwei Jahren über diese Lesegeräte verfügen und unsere klinische Validierung durchführen können", sagte Salaita am Schluss des Gesprächs.
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July 11, 2023 09:00 ET (13:00 GMT)
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