Blei ist ein giftiges Schwermetall, das sehr gefährlich für Mensch und Umwelt werden kann. Blei-Vergiftungen zählen zu den häufigsten durch Umweltverschmutzung verursachten Erkrankungen. Für die rasche Diagnostik und Umweltanalytik vor Ort wäre daher ein einfacher, handlicher, aber zuverlässiger Blei-Nachweis eine wünschenswerte Ergänzung zu den konventionellen, instrumentell eher aufwändigen Labormethoden.

Dabei reagieren nicht alle Lebewesen negativ auf Schwermetallionen; einige Organismen, wie Bakterien, haben Resistenzen dagegen entwickelt. Unter diesen Keimen gilt Ralstonia metallidurans als der einzige bekannte Stamm, der über einen für Blei spezifischen Resistenzmechanismus verfügt. Dieser wird immer dann angeworfen, wenn das Bakterium in eine bleihaltige Umgebung gelangt. Es muss also in der Lage sein, die Blei-Ionen wahrzunehmen.

Wirkung von PbrR
© Chuan He/Angewandte Chemie
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernWirkung von PbrR
Dafür besitzt es ein Späher-Protein, PbrR genannt, das nach Blei-Ionen Ausschau hält. PbrR dockt an einer Stelle der Bakterien-DNA an, die als Ein-Aus-Schalter für die Blei-Resistenzgene dient. Gelangen Blei-Ionen in die Zelle, binden diese an den Späher, der dabei seine Form so verändert, dass er die beiden Stränge der DNA ein wenig auseinander zieht – und damit die Gene anschaltet.

Dieses System machte sich das Forscherteam um Chuan He von der Universität Chicago zu Nutze. Sie wählten jedoch nicht PbrR, sondern PbrR691, ein – funktionell zuvor noch nicht charakterisiertes – eng verwandtes Protein, das sich gentechnisch leicht in größeren Mengen herstellen lässt. Wie erhofft, erkannte auch dieser Verwandte Blei-Ionen.

Nun galt es noch, die Bakterien-DNA leicht zu verändern: Innerhalb der Schalter-Region ersetzten die Forscher einen Adenin-Baustein durch ein fluoreszierendes Gegenstück. Fest eingebunden in die Doppelhelix der DNA fluoreszierte es im bleifreien Normalzustand nicht. Sobald jedoch ein Blei-Ion an PbrR691 band, wurden die beiden Stränge lokal auseinander gezogen. Dadurch ragte der fluoreszierende Baustein aus der Doppelhelix heraus und begann zu leuchten.

Anhand der Fluoreszenz-Intensität konnten die Forscher die Blei-Konzentration verschiedener Proben bestimmen. Das Sondensystem reagierte dabei etwa 1000fach empfindlicher auf Blei als auf andere Metallionen.

"Unsere Blei-Sonde ist eine Ausgangsbasis für die Entwicklung eines einfachen, bleispezifischen Analysenverfahrens", erläutert He. "Außerdem erforschen wir, warum PbrR691 so selektiv Blei-Ionen bindet. Die Erkenntnisse könnten beim Design eines bleibindenden Gegenmittels bei Blei-Vergiftungen helfen."