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Lexikon der Biologie: Biosensoren

Biosensoren [von *bio –, latein. sensus = Empfindung], allgemein Bezeichnung für Meßelemente, in denen eine biologisch aktive Komponente (Sensor bzw. Rezeptor) mit einem Signalwandler (Transducer) sowie einem elektronischen Detektor und Verstärker eine Einheit bildet ( vgl. Infobox ). Das Meßprinzip beruht im wesentlichen darauf, daß bestimmte Moleküle (Analyten) mit dem gekoppelten biologischen Sensormaterial in Wechselwirkung treten und damit ein biochemisches oder optisches Signal hervorrufen, das durch den Transducer in ein elektrisches Signal umgewandelt und schließlich elektronisch verstärkt und angezeigt wird. Neben einer Quantifizierung des erhaltenen Signals sind weitere Informationen über Spezifitäten, Kinetiken, Affinitäten, Aktivitäten und/oder Stöchiometrien meß- und interpretierbar. Als Sensoren können verschiedene biologische Strukturen dienen, vor allem Enzyme (Enzymsensoren) und Antikörper (Immunosensoren), aber auch Apoenzyme, Nucleinsäuren, Lectine, Farbstoffe, zelluläre Rezeptoren, Zell-Organellen, Zellen, Schnitte von Geweben und Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), die auf verschiedene Weise (z. B. kovalent, adsorptiv, über eine Membran) am Transducer immobilisiert sind. Neuere Entwicklungen von Biosensoren basieren oft auf dem Einsatz künstlicher Enzyme, unter anderem in Form katalytischer Antikörper (Abzyme), oder Aptamere, Nucleinsäuremoleküle mit hochspezifischen Bindungseigenschaften, die mittels in-vitro-Evolution selektioniert worden sind. Als Transducer fungieren hauptsächlich solche, die auf elektrochemischen (amperometrische, potentiometrische und konduktometrische Biosensoren) oder optischen Prinzipien (optische Biosensoren) beruhen. Daneben werden auch piezoelektrische, wellenakustische, kalorimetrische und andere Verfahren eingesetzt. Meist arbeiten elektrochemische Biosensoren auf amperometrischer Basis, d. h., bei einem in bezug auf eine Referenzelektrode konstanten elektrochemischen Potential an der Arbeitselektrode wird der Stromfluß gemessen, der bei Oxidation oder Reduktion einer elektrodenaktiven Substanz entsteht. Dieser Stromfluß ist über einen großen Bereich direkt proportional zur Konzentration der zu messenden Substanz. Viele dieser Systeme arbeiten auf Basis der Clark-Sauerstoffelektrode. Clark selbst hatte bereits 1962 die Idee, das Enzym Glucoseoxidase, das Glucose und Sauerstoff zu Gluconsäure und Wasserstoffperoxid umsetzt, vor der Sauerstoffelektrode zu fixieren und den Sauerstoffverbrauch bei Anwesenheit von Glucose zu messen. Solche Glucosesensoren sind heute in ausgereifter Form erhältlich und Standard in der Kontrolle des Blutzuckerspiegels (Blutzucker) von Diabetespatienten (Diabetes). Für viele Verbindungen wie Milchsäure, Ascorbinsäure oder Glutamat (Glutaminsäure) wurden ähnliche Systeme entwickelt, für andere wie Malat oder Citrat (Citratzyklus), deren enzymatische Umsetzung selbst noch kein transduzierbares Produkt liefert, wurden Systeme aus mehreren hintereinandergeschalteten Enzymen (gekoppelte Enzymsysteme) entwickelt. Da die Messung von Sauerstoff oft Schwierigkeiten bereitet, wird inzwischen meist das bei der Oxidasereaktion produzierte Wasserstoffperoxid gemessen, oder es werden Mediatoren eingesetzt, die anstelle von Sauerstoff und anderer Cosubstrate als Elektronenakzeptoren oder -donoren fungieren und von der Elektrode detektierbar sind. Bedeutung soll diesen, dann in extrem miniaturisierter Form vorliegenden, Biosensoren in Zukunft vor allem im medizinischen Bereich zukommen, z. B. als Implantate zur kontinuierlichen in-vitro-Messung wichtiger Substanzen wie Glucose, Milchsäure, Hormone oder Neurotransmitter. Biosensoren mit potentiometrischen Transducern, bei denen das Potential der Meßelektrode in Relation zu dem der Referenzelektrode unter stromlosen Bedingungen gemessen wird, finden Anwendung zur Bestimmung des Redoxpotentials ionischer Komponenten (Redoxelektrode) und des pH-Werts (ionensensitive Elektrode). Mit Hilfe konduktometrischer Biosensoren läßt sich die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bestimmen. In verfeinerten Systemen kann dies ebenfalls zur Bestimmung der Art und Menge einer Substanz herangezogen werden. Hier fungiert eine Goldelektrode als Transducer, eine Membran mit Ionenkanälen als Sensor, dazwischen befindet sich eine Elektrolytlösung. Der untere Teil der Ionenkanäle ist fest mit der Elektrode verknüpft, der obere Teil ist frei beweglich und mit spezifischen Antikörpern versehen. Weitere spezifische Antikörper sind fest in der Membran verankert. Eine Substanz aus der Probe, die von dem spezifischen Antikörper gebunden wird, hat die Komplexierung und Immobilisierung des oberen Teils der Ionenkanäle zur Folge, was in der Abnahme der Leitfähigkeit erfaßbar ist. Bei optischen Biosensoren (Optoden) werden Veränderungen in der Schichtdicke, im Brechungsindex, der Lichtabsorption und -emission erfaßt, die Lichtführung verläuft in der Regel über Glasfasern. Bei diesen Sensoren handelt es sich meist um Enzym-, Immuno- oder Nucleinsäuresensoren, an die Substrate oder Antigene binden bzw. komplementäre Nucleinsäuren hybridisieren. Meist ist es notwendig, die zu detektierenden Substanzen zu markieren, wobei die Markierung mit Fluorophoren am besten etabliert ist. Im Falle von Nucleinsäuresensoren erfolgt der Nachweis einer Hybridisierung auch häufig mittels fluoreszenzmarkierter interkalierender Substanzen (Interkalation). Angestrebt werden jedoch direkter arbeitende Transducer-Systeme, bei denen möglichst keine Hilfsreaktionen und -substanzen notwendig sind. Ein besonderes Verfahren der optischen Biosensorik ist hier die sog. Oberflächenplasmonresonanz-Methode (Surface Plasmon Resonance). Bei dieser Methode sind auf einer Goldschicht Antikörper immobilisiert; bindet die zu analysierende Substanz an die Antikörper, hat dies letztlich eine registrierbare Änderung des Brechungsindex in der Nähe der Goldschicht zur Folge. Mit diesem System lassen sich die Wechselwirkungen verschiedener Biomoleküle verfolgen (Biospecific Interaction Analysis). Ein weiteres Verfahren wird bei piezoelektrischen Biosensoren angewendet. Der Transducer dieser Sensoren ist ein Schwingquarz, der frequenzabhängige akustische Wellen erzeugt, die weitergeleitet und registriert werden. Die Frequenz ist dabei abhängig von der Oberfläche sowie der Beladung des Kristalls. Wird der Kristall mit einem entsprechenden Kunststoff beschichtet, lassen sich sogar enantiomere Formen von Molekülen in einem Gasgemisch anhand der Änderung der Schwingungsfrequenz des Kristalls feststellen. Ein solcher Biosensor, basierend auf einem mit Antigenen beschichteten Schwingquarz, wird auch zum Nachweis von Antikörpern gegen HIV eingesetzt (HIV-Test). Andere Formen von Biosensoren beruhen auf der Messung freiwerdender Wärme (Kalorimetrie), z. B. bei exothermen Reaktionen, oder auf der Messung von Kräften, wie sie unter anderem zur Zerstörung von Ligand-Rezeptor-Bindungen notwendig sind. Zur Sensitivität von Biosensoren vgl. Infobox. Bioelektronik, Sensor-Technologie.

M.B.

Lit.: Hall, E.A.: Biosensoren. Berlin 1995.


Biosensoren

Inzwischen gibt es Versuche mit Insekten, die auf Siliciumchips immobilisiert als Biosensoren fungieren, wobei vor allem deren Geruchsempfindungen interessieren. Dazu werden die Fühler dieser Insekten in eine Elektrolytlösung getaucht, die die Weiterleitung entstehender elektrischer Signale erlaubt und damit in einem angeschlossenen Transistor einen höheren Stromfluß hervorruft. Ein
Kartoffelkäfer z. B. registriert Duftstoffe angefressener Pflanzen und könnte, als Biosensor eingesetzt, dazu beitragen, daß Insektizide nur noch bei Bedarf und nicht prophylaktisch versprüht werden müßten. Borkenkäfer reagieren empfindlich auf Brandgeruch und könnten entsprechend als Warnsystem vor ausbrechenden Schwelbränden fungieren. Letztlich ist es das Ziel, die für die Geruchsempfindung zuständigen Moleküle zu finden und diese anstatt der lebenden Käfer als biologisch aktive Komponente zu immobilisieren.

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