Universität Jena, IMMS GmbH und Fzmb GmbH Viren-Sensor aus Graphen soll Sars-CoV-2 aufspüren

Seit gut einem Jahr hat die Corona-Pandemie die Welt fest im Griff. Momentan ist das Motto der Regierung in Deutschland testen, testen, testen. Immer neue Tests und Test-Strategien drängen auf den Markt. Ein Team von Chemikern unter Beteiligung der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickeln gemeinsam eine Technologieplattform für Schnelltests. Ziel der elektronischen Plattform ist es, die bereits an der Universität Jena erforschten Graphen-Sensoren für neue sogenannte Point-of-Care-Geräte zu erschließen.

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Am 5. März startete das vom Bundeswirtschaftsministerium geförderte Projekt „Viro-Graph – Multiplex-Detektionssystem zum Nachweis von Viren auf Basis von Graphen-Feldeffekttransistoren“, das für zweieinhalb Jahre angesetzt ist, mit einem virtuellen Auftakttreffen. Chemiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena, das IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH) und die Fzmb GmbH, Forschungszentrum für Medizintechnik und Biotechnologie entwickeln gemeinsam eine neuartige Technologieplattform zum Nachweis von Sars-CoV-2. Point-of-Care-Geräte sollen mithilfe von Graphen-Sensoren künftig ähnlich einfach wie Covid-19-Schnelltests vor Ort einsetzbar sein und Viren, Virenproteine oder Antikörper hochsensitiv – vergleichbar mit PCR-Tests – nachweisen. Mit dem neuen Projekt wollen die Partner den Grundstein für viele weitere präzisere, sensitivere und spezifischere Anwendungen im Bereich der Vor-Ort-Diagnostik über Sars-CoV-2 hinaus legen.

Sensoren aus Graphen

Prinzipiell sind auf den Teststreifen der aktuell eingesetzten Schnelltests bestimmte Proteine als Fängermoleküle aufgebracht, die – falls in der untersuchten Probe vorhanden – mit Virusbestandteilen oder mit Antikörpern reagieren. Dabei entsteht ein Farbstreifen, der das Ergebnis anzeigt. In der neuen Plattform des Viro-Graph-Projektes soll ein neuartiger elektronischer Sensor aus Graphen die Aufgabe des Teststreifens übernehmen. Dieser ist von einer nur einen Nanometer dicken Kohlenstoffmembran überzogen, die die Fängermoleküle auf der Sensoroberfläche fixiert. Lagern sich die Analyten aus einer Probe – also etwa Antikörper oder Virusbestandteile – auf der Sensoroberfläche an, dann verändert sich die elektrische Leitfähigkeit des Sensors. Dieser Parameter kann elektronisch ausgelesen werden und liefert das Testergebnis.

„Feldeffekttransistoren kommen bereits beispielsweise bei der Messung von pH-Werten zum Einsatz, für Anwendungen im Bereich der immunologischen Diagnostik allerdings waren sie bisher nicht sensitiv und spezifisch genug“, erklärt Prof. Dr. Andrey Turchanin von der Universität Jena. „Durch die Kombination von Heterostrukturen aus Graphen, das eine entsprechende Leitfähigkeit bereithält, und der molekularen Kohlenstoffnanomembran, die die Sensoroberfläche biochemisch funktionalisiert, konnte diese Schwachstelle allerdings behoben werden. Denn das aus nur einer Atomschicht bestehende 2D-Material Graphen zeichnet sich durch eine besondere elektrische Leitfähigkeit aus – sensible Änderungen der Leitfähigkeit während der Ankopplung von Analyten, also den gesuchten Molekülen, lassen sich schnell und einfach messen.“

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Multiplex-Detektionssystem

Um diese kleinsten elektrischen Ströme im Bereich einiger Nanoampere überhaupt messen zu können, entwickeln die Projektkoordinatoren des IMMS geeignete miniaturisierte Messtechnik. „Das ist wichtig, um die für unsere Anwendung notwendige Leistungsfähigkeit sehr großer Messgeräte, die solche Parameter normalerweise ermitteln können, in ein handliches Point-of-Care-Gerät zu integrieren.“ sagt Michael Meister vom IMMS. „Eine besondere Herausforderung dabei ist außerdem, mehrere Graphen-Sensoren gleichzeitig zu messen, um eine Multiparameteranalytik realisieren zu können.“

Denn hierin soll die besondere Stärke der elektronischen Methode bestehen: „Wir wollen den Grundstein für ein Multiplex-Detektionssystem legen, mit dem wir mehrere Analyten gleichzeitig detektieren können“, erklärt Dominik Gary vom Fzmb, dessen Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter immunologische und molekularbiologische Nachweissysteme für den neuen Sensor entwickeln. „Somit wäre das Viro-Graph-System möglicherweise sogar zur Gentypisierung geeignet und könnte deshalb verschiedene Mutationen von Viren im Schnellverfahren erkennen.“

Projektbegleitender Ausschuss:

• Candor Bioscience GmbH

• CNM Technologies GmbH

• Gesim mbH

• Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V.

• Sifin diagnostics GmbH

• Tissuse GmbH

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