Virus-on-a-chip: Pflanzenviren als Adapterpartikel auf elektronischen Chips für die markierungsfreie Biosensorik (ViroChip)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Michael J. Schöning; Professorin Dr. Christina Wege
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Biomedizinische Systemtechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446507449

Zur effizienten Immobilisierung funktioneller Biomoleküle in höchsten Oberflächendichten und zu ihrer Stabilisierung erweisen sich seit kurzem tubuläre Tabakmosaikvirus-(TMV-)-ähnliche Partikel (TMV-Like Particles, TMV-LPs) als besonders attraktive nanoskalige Gerüststrukturen. Die präzise repetitiv aufgebaute und modifizierbare Proteinaußenfläche der aus Pflanzen reich verfügbaren, biologisch abbaubaren Soft-Matter-Nanopartikel kann mit etwa 2000 Bio-Funktionseinheiten je 300 nm-Partikel bestückt und gut in technische Systeme integriert werden. Sie dienen dann als nanostrukturierte Adapter zur Präsentation und Kombination von Bioaktivitäten, zum Beispiel für die Diagnostik in miniaturisierten Sensoren. Hauptziel dieses Vorhabens ist die erstmalige Integration von TMV-LP/Enzym-Bio-Nanohybriden mit kapazitiven Feldeffektsensoren, die mit pH-responsiven Polyelektrolytschichten (PE) modifiziert wurden. Zwei Typen von enzymbestückten TMV-LPs (TMV-Nanoröhren und TMV-Nanoringe) werden auf der Sensoroberfläche immobilisiert. Aufgrund der Ladung der PE-Schichten wird eine extrem hohe Dichte von TMV-LPs und damit eine besonders hohe Sensorempfindlichkeit bei großer Langzeitstabilität erwartet. Der vorgeschlagene Ansatz wird mit drei beispielhaften Anordnungen zum Nachweis von Penicillin, Harnstoff oder Saccharose untersucht, in denen H+-Ionen freigesetzt oder verbraucht werden. Der Aufbau wird auch für eine Bienzym-Kaskadenreaktionen optimiert (Invertase/Saccharose & Glucoseoxidase/Glucose), um breit anwendbare Design-Regeln für die Biosensorik zu erhalten. Auf Grundlage verschiedener Sensor-Charakteristika (Sensitivität, Detektionslimit und -bereich, Antwortzeit, Langzeitstabilität etc.) wird ein theoretisches Modell zum Funktionsmechanismus der PE/TMV-LP/Enzym-modifizierten Feldeffekt-EIS-(Electrolyte-Insulator-Semiconductor)-Biosensoren entwickelt. Feldeffektsensoren wurden bisher noch nicht mit PE/TMV-LPs kombiniert. Das Forschungsvorhaben soll daher ein universelles Konzept zur Realisierung einer völlig neuen Klasse von Feldeffekt-Biosensoren für eine Vielzahl unterschiedlicher Analyte etablieren. Entscheidende Voraussetzung für den Projekterfolg ist eine eng aufeinander abgestimmte interdisziplinäre Kooperation, die sich im Zuge erster gemeinsam publizierter Arbeiten entwickelt hat.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen