Fortschrittliche Messmethode: Neuer Biosensor spürt gefährliche Stoffe im Trinkwasser auf

Wissenschaftler der Northwestern University haben eine Methode entwickelt, um Schadstoffe im Trinkwasser noch präziser aufzuspüren. Mithilfe eines biochemischen „Verstärkers“ namens ROSALIND 3.0 lässt sich die Empfindlichkeit der Messung um das Zehnfache steigern. So gelingt der Nachweis von winzigen Konzentrationen von Schwermetallen, Bakterien oder anderen Chemikalien. Die Forschungsergebnisse könnten nicht nur die Überwachung von Trinkwasser verbessern, sondern auch in der Gesundheitsforschung eingesetzt werden.

Ein System, das Schadstoffe sichtbar macht

Das Überwachungssystem basiert auf einer Technologie namens „zellfreie synthetische Biologie“. Dabei entnehmen Forscher molekulare Bausteine wie DNA und RNA aus Zellen und programmieren sie um. Diese Bausteine arbeiten dann eigenständig, ohne in einer Zelle eingebettet zu sein. Das Herzstück dieser Technik trägt den Namen ROSALIND 3.0. Es kann erkennen, wenn Schadstoffe wie Schwermetalle oder Antibiotika bestimmte Grenzwerte überschreiten und reagiert mit einem Leuchtsignal.

Bereits das erste Modell konnte 17 verschiedene Schadstoffe in einem Tropfen Wasser nachweisen. Ein farbliches Signal zeigte, ob die festgelegten Grenzwerte überschritten wurden. In der neuen Version wurde das System um einen „Signalverstärker“ ergänzt. Dieser sorgt dafür, dass selbst minimale Konzentrationen wahrgenommen werden.

Es ist wie ein Radio mit einer Lautstärkeregelung – wir können schwache Signale verstärken und Rauschen reduzieren.

Julius Lucks, Professor für chemische und biologische Technik an der Northwestern University

Ein Fehler, der zum Vorteil wurde

Ein wesentlicher Durchbruch gelang den Forschern, indem sie eine Schwäche des Systems zu ihrem Vorteil machten. Das Enzym T7-RNA-Polymerase, das normalerweise fehlerhafte Reaktionen auslöst und Signale „verschluckt“, wurde clever integriert. Statt das System zu stören, verstärkt das Enzym nun die Signalstärke, indem es Signale auffrischt und wiederholt abspielt. So kann das System denselben Reiz mehrfach nutzen.

Durch einen biochemischen Trick verstärken wir die Signale, ohne die Biosensoren selbst zu verändern. ROSALIND 3.0 kann nun auch genetische Bausteine wie DNA und RNA nachweisen, was vorher nicht möglich war.

Jenni Li, Doktorandin und Hauptautorin der Studie

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Trinkwasserüberwachung im Einsatz

Bereits frühere Versionen von ROSALIND wurden in Feldtests eingesetzt. Ein Projekt in Chicago nutzt das System, um Blei im Trinkwasser zu überwachen. Das neue Modell ist noch flexibler und könnte auch in der Medizin oder Umweltüberwachung Anwendung finden. Zum Beispiel könnten Gesundheitsmarker im Körper gemessen oder Rückstände von Pestiziden in der Landwirtschaft erkannt werden.

Laut Lucks ermögliche die Erweiterung der Plattform eine schnellere Entwicklung neuer Sensoren: „Diese Technik erlaubt es, Sensoren zu bauen, die kleinste Mengen schädlicher Substanzen erkennen.“ Mit ROSALIND 3.0 könnten gefährliche Stoffe in Trinkwasser und Lebensmitteln künftig noch früher nachgewiesen werden.

Was du dir merken solltest:

• Das Überwachungssystem ROSALIND 3.0 nutzt eine Technologie namens „zellfreie synthetische Biologie“, um Schadstoffe im Trinkwasser durch verstärkte Signale bis zu zehnmal empfindlicher nachzuweisen.
• Die Integration eines spezielles Enzyms, das normalerweise Störungen verursacht, spielt Signale mehrfach ab und ermöglicht die Detektion selbst geringster Konzentrationen.
• Das System wird bereits zur Überwachung von Blei im Trinkwasser eingesetzt und könnte künftig auch in der Gesundheitsdiagnostik und Landwirtschaft wichtige Anwendungen finden.

Übrigens: Hunde können resistente Salmonellen unbemerkt übertragen. Enger Kontakt und mangelnde Hygiene steigern das Risiko einer Ansteckung deutlich. Mehr dazu erfährst du in unserem Artikel.

Bild: © Northwestern University