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Biotechnologie: Kunstnase aus Froschzellen erschnüffelt Pheromone

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Tierische Geruchsrezeptoren sind nicht nur äußerst empfindlich, sondern reagieren in der Regel auch nur auf ein ganz bestimmtes Duftmolekül. Diese Eigenschaften haben sich jetzt japanische Forscher zu Nutze gemacht, um die Technik künstlicher "Nasen" zu verbessern: Das Team um Shoji Takeuchi präsentierte einen mobilen, kaum streichholzschachtelgroßen Apparat, in dem Froscheizellen vorbeifließende Duftstoffe erschnuppern.

Der Trick: Die Forscher der Universität Tokio brachten die Eizellen dazu, auf ihrer Oberfläche Sensorkanäle auszubilden. Diese lassen Ionen ins Zellinnere eindringen, sobald eines der Zielmoleküle andockt. Dann genügt ein einfaches Messgerät, mit dem sich der Zustrom der geladenen Teilchen registrieren lässt.

Dazu ergänzten Takeuchi und Kollegen die Frosch-DNA um die Bauanleitung für einen von fünf chemischen Rezeptoren, die sie zuvor aus Insekten, etwa der Seidenspinnerraupe, isoliert hatten. Jede der rund einen Millimeter großen Eizellen produzierte daraufhin einen der spezialisierten Sensorkanäle. Anschließend hielten sie die Zellen in Glas-Kapillarkanälen gefangen und stachen Elektroden in sie hinein.

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Schema und Fotografie der künstlichen Nase | Die Grafik links zeigt den Aufbau der rechts in natura abgebildeten Vorrichtung. Die Eizelle wird in einem Kapillarsystem gefangen gehalten und mit zwei Elektroden ausgemessen. Dabei fließt die zu analysierende Flüssigkeit durch die feinen Kanäle.
Das System sei empfindlich genug, um extrem geringe Stoffkonzentrationen von rund zehn Nanomol beziehungsweise 2 ppb (parts per billion, Teile pro Milliarde) zuverlässig zu erfassen. Auch wie hoch der gesuchte Stoff in der Flüssigkeit konzentriert ist, lässt sich am geänderten Stromfluss ablesen.

Der Vorteil ihrer Kunstnase sei allerdings weniger deren Empfindlichkeit: Existierende Modelle von "elektronischen Nasen" haben durch ihre Bauart bedingt Schwierigkeiten, zwischen Molekülen ähnlicher Form zu unterscheiden, so die Wissenschaftler. Diese Systeme messen beispielsweise, wie sich das Vibrationsverhalten eines Balkens ändert, wenn ein anhaftendes Zielmolekül mitschwingt. Ähneln sich zwei Stoffe stark in Aufbau und Gewicht, kann die Kunstnase sie nicht auseinanderhalten.

Die tierischen Chemorezeptoren seien jedoch deutlich selektiver, erläutern Takeuchi und Kollegen, weshalb ihr System beispielsweise die verwandten Seidenspinnerraupen-Pheromone Bombykol und Bombykal, die sich lediglich an einer Bindungsstelle unterscheiden, getrennt voneinander erfassen konnte. Ein gravierender Nachteil liegt hingegen im Aufwand, der betrieben werden muss, um für ein neues Zielmolekül einen passenden Rezeptor zu identifizieren. Bislang seien rund 50 verwendbare Sensorproteine bekannt – dank der Tatsache, dass Seidenspinnerraupe und Taufliege, aus der das Team ebenfalls Rezeptoren verwendete, bestens erforschte Organismen sind.

Roboterkopf mit NaseLaden...
Roboterkopf mit Nase | Die Forscher bauten ihre künstliche Nase in einen Roboterkopf ein, um die Störungsunempfindlichkeit des Systems zu demonstrieren. Trotz Schüttelbewegungen konnten sie ein zuverlässiges Signal von ihrem Apparat und den fünf darin enthaltenen Eizellen ablesen. Zudem benötigte das System keine aufwändige Isolierung gegen elektrische Störimpulse.
Auch die großen und damit gut handhabbaren Eizellen des Froschs Xenopus laevis sind in Labors bei genetischen Untersuchungen weit verbreitet. Die Leistung der japanischen Forscher besteht deshalb vor allem darin, vorhandenes Wissen und etablierte Techniken für ihre Anwendung zu kombinieren. Bislang galten solche biotechnischen Kunstnasen vielfach als schwer zu beherrschen.

Dass dies nicht zwangsläufig der Fall sein muss, demonstrierten Takeuchi und Kollegen jetzt, indem sie ihren Apparat in einen "Roboter" einbauten: der Styropor-Kunstkopf schüttelte mit dem Kopf, sobald er eine der fünf Substanzen in einer Flüssigkeit erkannte. (jd)
34. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 34. KW 2010

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  • Quellen
Misawa, N. et al.: Highly sensitive and selective odorant sensor using living cells expressing insect olfactory receptors. In: Proceedings of the National Academy of Sciences 10.1073/pnas.1004334107, 2010.

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