BMBF Verbundvorhaben: Biohybride DNA: Metall-Quantencluster basierte Sensor-Plattformtechnologie (BioQuant) - BMBF Zukunftstechnologien für die industrielle Bioökonomie

Abstract

Das BMBF-Projekt BioQuant zielte darauf ab, DNA-stabilisierte Metall-Quantencluster, kurz QC:DNA, als neuartige Sensorelemente für die nächste Generation mikrofluidisch integrierter Lab-on-a-Chip (LOC)-Technologien für den industriellen Einsatz zu qualifizieren. Ausgangspunkt war der Bedarf an kosteneffizienten, empfindlichen und einfach handhabbaren Sensorlösungen, die mehrere Analyte quantitativ und parallel nachweisen können. Dazu klärte das Projekt offene Fragen zu Sequenz-Fluoreszenz-Beziehungen, Synthese, Stabilität und sensorischer Funktion von QC:DNA und entwickelte Protokolle zur Immobilisierung und Biokonjugation sowie ein kompaktes, tröpfchenbasiertes Hochdurchsatz-Mikrofluidiksystem mit integrierter Fluoreszenzauslese. Am Fraunhofer ISC und IME wurden über 120 neue QC:DNA, darunter mehr als 60 eigene Designs, entwickelt und hinsichtlich Synthese und Stabilität optimiert. In umfangreichen Screenings zeigten QC:DNA ein intrinsisches Sensorvermögen, wodurch Mykotoxine, Arzneimittelrückstände und hormonell-wirkende Substanzen ohne zusätzliche Funktionalisierung qualitativ und quantitativ detektiert werden konnten. Protokolle zur Immobilisierung auf Partikeln und Oberflächen zeigten die gleiche Fluoreszenz-Funktionalität der QC:DNA. Für die Biokonjugation wurden Peptidkopplungen erfolgreich etabliert; zudem wurden zahlreiche Ansätze zur Aptameranbindung erarbeitet, die in Folgearbeiten zur vollen Funktionalität weiterzuentwickeln sind. In Kooperation mit dem Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) der Hochschule Coburg wurde der Proof-of-Concept einer sensorisch aktiven QC:DNA in einem tröpfchenbasierten Hochdurchsatzsystem demonstriert. BioQuant erweitert damit die Anwendbarkeit von DNA-stabilisierte Metall-Quantenclustern substanziell und legt die Grundlage für zukünftige LOC-Sensorplattformen und industrielle Einsatzszenarien.