Biomimetische Rezeptoren auf NanoMIP-Basis zur Virenerkennung und -entfernung mittels integrierter Ansätze

• Antragstellerin: Professorin Dr. Zeynep Altintas
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428780268

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Viren gehören zu den häufigsten Verunreinigungen im Wasser und können selbst in geringsten Mengen infektiös sein, da sie äußerst stabil und beständig gegenüber widrigen Umweltbedingungen sind. Der Nachweis von Viren im Wasser erfordert spezialisierte analytische Methoden und geschultes Personal, was ihre Anwendbarkeit für Point-of-Care-Diagnosen einschränkt. Darüber hinaus fehlt es bestehenden virusdiagnostischen Methoden an der erforderlichen Empfindlichkeit, um die vollständige Abwesenheit wasserübertragener Viren in Wasserquellen sicherzustellen. In diesem Projekt haben wir uns dieser Herausforderung gestellt, indem wir biomimetische Rezeptoren (nanoMIPs) zur Detektion und Bindung von Viren entwickelt haben. Die entwickelten virusspezifischen nanoMIPs wurden in Biosensor-Plattformen und Membranfilter für den Virusnachweis und die Virenentfernung integriert. Durch die erfolgreiche Kombination von computergestützten Simulationen und experimenteller Arbeit konnten wir die Leistung der nanoMIPs für die Virus-Erkennung und -Filtration optimieren. Um effiziente Rezeptoren mit hoher Affinität zu den Zielviren zu erhalten, führten wir Molekulardynamik-Simulationen von viralen Oberflächenproteinen durch, um die Stabilität und konformationelle Dynamik der Epitope (d. h. Bindungsstellen) unter verschiedenen Umweltbedingungen zu bewerten. Neben der Epitope-Auswahl wurden computergestützte Simulationen auch zur Entwicklung der MIP-basierten Rezeptoren eingesetzt. Dazu wurden verschiedene funktionelle Monomerkandidaten mit dem ausgewählten Epitop simuliert, um die Bindungsinteraktionen und die Art der Bindungen zu analysieren. Die Monomere mit den optimalsten Wechselwirkungen wurden anschließend zur Synthese der nanoMIPs als spezifische Rezeptoren mittels molekularer Prägung verwendet. Die synthetisierten biomimetischen Rezeptoren wurden anschließend zur Herstellung von Biosensor-Chips durch kovalente Immobilisierung eingesetzt. Diese Chips wurden in piezoelektrische und optische Biosensoren integriert, um ganze Viren über ihre Epitope nachzuweisen. Die Wechselwirkung zwischen jedem Epitop-Rezeptor und dem Zielvirus wurde anhand der Biosensor-Ausgabe analysiert. Hochaffine biomimetische Rezeptoren wurden zudem in Membranfilter eingebaut, um virale Partikel effektiv einzufangen und zu entfernen. Die Entwicklung dieser nanoMIP-basierten Sensoren ermöglicht schnelle, präzise und leicht zugängliche Point-of-Care-Diagnosetools. Darüber hinaus könnten die mit nanoMIPs konjugierten Membranfilter insbesondere in ressourcenbeschränkten Regionen eine transformative Wirkung haben. Weitere Details zu den entwickelten nanoMIP-basierten Sensoreinheiten und Membranen sind in den folgenden Abschnitten beschrieben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Bioselective PES Membranes Based on Chitosan Functionalization and Virus-Imprinted NanoMIPs for Highly Efficient Separation of Human Pathogenic Viruses from Water. Membranes, 12(11), 1117.
  Olivares Moreno, Carmen Andreina & Altintas, Zeynep
  
• Current trends in COVID-19 diagnosis and its new variants in physiological fluids: Surface antigens, antibodies, nucleic acids, and RNA sequencing. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 157, 116750.
  Mostafa, Menna; Barhoum, Ahmed; Sehit, Ekin; Gewaid, Hossam; Mostafa, Eslam; Omran, Mohamed M.; Abdalla, Mohga S.; Abdel-Haleem, Fatehy M.; Altintas, Zeynep & Forster, Robert J.
  
• Synthesis of Molecularly Imprinted Polymer Nanoparticles for SARS-CoV-2 Virus Detection Using Surface Plasmon Resonance. Chemosensors, 10(11), 459.
  Bajaj, Aabha; Trimpert, Jakob; Abdulhalim, Ibrahim & Altintas, Zeynep
  
• Biosensors for virus detection. Advanced Sensor Technology, 53-80. Elsevier.
  Sehit, Ekin & Altintas, Zeynep
  
• Chitosan-functionalized PVDF and PES membranes integrated by epitope-imprinted polymers for targeted hepatitis A virus capture. Journal of Membrane Science, 709, 123084.
  Akin, Eda; Gharibzahedi, Seyed Mohammad Taghi; Qiu, Haoyi; Aliyeva, Ainura & Altintas, Zeynep
  
• Computationally Designed Epitope-Mediated Imprinted Polymers versus Conventional Epitope Imprints for the Detection of Human Adenovirus in Water and Human Serum Samples. ACS Sensors, 9(4), 1831-1841.
  Sehit, Ekin; Yao, Guiyang; Battocchio, Giovanni; Radfar, Rahil; Trimpert, Jakob; Mroginski, Maria A.; Süssmuth, Roderich & Altintas, Zeynep
  
• Surface modification of PVDF ultrafiltration membranes using spacer arms and synthetic receptors for virus capturing and separation. Talanta, 279, 126558.
  Olivares Moreno, Carmen Andreina; Ghaddar, Nabila; Sehit, Ekin; Schomäcker, Reinhard & Altintas, Zeynep
  
• Molecularly Imprinted Polymers. Springer Series on Polymer and Composite Materials. Springer International Publishing.
  Altintas, Zeynep