Biosensoren – Natürliche Helfer mit Spürhund-Qualität

Biologisches Material erkennt Moleküle

Als Biosensoren werden Messfühler bezeichnet, die mit Hilfe von biologischem Material Auskunft über Art und Menge eines zu analysierenden Stoffs geben.

Biologisches Material erkennt Moleküle

Bei den dafür eingesetzten Biostoffen kann es sich unter anderem um Zellteile, Bakterienstämme, Enzyme, DNA oder sogar Insektenfühler handeln. Kommen sie in Kontakt mit dem Material, das untersucht werden soll (Analyt), so verändern sie sich auf eine ganz spezifische Weise. Diese Veränderung wird aufgezeichnet und kann nun ausgewertet werden.

Anwendung findet die Bio-Sensorik in den unterschiedlichsten Bereichen, die von Medizin und Umwelt über Landwirtschaft bis hin zur militärischen Gefahrenabwehr reichen.

 

So funktioniert ein Biosensor

Biosensoren setzen sich aus folgenden Bestandteilen zusammen:

• Bio-Rezeptor

Der Bio-Rezeptor ist der eigentliche Sensor, der auf das Analyt reagieren soll. Es handelt sich dabei um eine Membran, auf die das passende biologische Material aufgebracht wird. Hier kommt der Sensor mit dem zu untersuchenden Stoff in Kontakt.

• Transduktor

Der Transduktor ist ein Magnetverstärker. Seine Aufgabe besteht darin, mögliche Veränderungen am Bio-Rezeptor in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Dabei kann es sich zum Beispiel um Verschiebungen des pH-Werts handeln, um Temperatur-Schwankungen oder um eine Änderung des Lichtspektrums.

• Verstärker

Das Signal wird nun verstärkt.

• Detektor

Der Detektor schließlich zeichnet das Ergebnis der Messung auf.

 

Krebserkennung und biosensorische Masken

Die Pioniere der Sensor-Entwicklung waren Lyons und Clark. Ihre Erfindung von 1962 ermöglichte erstmals die exakte Bestimmung des Glukose-Werts im Blut – ein revolutionärer Schritt für die Erkennung und Behandlung von Diabetes.

Seitdem hat sich ihre Idee in vielen weiteren Bereichen der Medizin bewährt. Aktuell wird an einem Bio-Sensor zur Erkennung COVID-19 geforscht, der direkt in eine spezielle Maske integriert ist. Schon kleinste Bruchteile des Coronavirus in der Ausatemluft sollen zu einer Verfärbung der Maske führen.

Eingesetzt werden Biosensoren auch beim Nachweis bestimmter Immunstoffe in der Früherkennung. Interleukin-10 löst zum Beispiel Entzündungen aus, die mit Herzerkrankungen in Verbindung gebracht werden. Die Bio-Sensorik kann auch Krebszellen aufspüren – oder Verkehrssünder beim Drogentest überführen.

Andere Bio-Rezeptoren reagieren auf die gefürchteten sogenannten Pyrogene. Das sind Entzündungsstoffe, die schweres Fieber auslösen und auf eine mangelnde Hygiene hinweisen. Entsprechende Untersuchungen werden daher besonders in Kliniken, aber auch in Großküchen oder in der Lebensmittelindustrie durchgeführt.

 

Frühwarnsysteme für Umweltschutz und Landwirtschaft

Verschmutzungen von Luft, Boden oder Wasser werden ebenfalls durch den Einsatz von Biosensoren nachgewiesen. Als Sensor dienen dann beispielsweise bestimmte Bakterienstämme oder Zellkulturen. Mini-Bioreaktoren in Trinkwasserleitungen werden vom Wasser umspült und zeigen eventuelle Verseuchungen an.

Ein recht neues Forschungsfeld ist der Einsatz von Insektenfühlern oder der daraus gewonnenen Stoffe. Die Käferantennen reagieren sehr sensibel auf bestimmte Duftmoleküle und lösen bei Kontakt messbare Nerven-Impulse aus. Diese Reaktion macht man sich in der Landwirtschaft zu Nutze:

Der Traubenwickler ist ein auf Weinberge spezialisierter Käfer und richtet dort massive Schäden an. Da er seine Eier jedoch nur in gesunde Trauben legt, verfügt er über die Fähigkeit, Pilzbefall zu entdecken. Betroffene Stellen können nun gezielt mit Hilfe von Bio-Rezeptoren aufgespürt werden, die mit Insektenfühlern bestückt sind. Dadurch werden Pflanzenschutzmittel nur noch dort angewandt, wo sie aktuell gebraucht werden. Auf ähnliche Weise wird der Borkenkäfer vom Schädling zum Hilfsfeuerwehrmann, da er Brandgeruch sehr früh bemerkt.

 

Unendliches Entwicklungspotenzial

Sei es nun, um biologischen Waffen zu entdecken oder natürliche Geschmackstoffe von künstlichen zu unterscheiden: Die Bio-Sensorik hat sich in vielen Bereichen durchgesetzt. Der große Vorteil liegt besonders darin, dass die Rezeptoren sehr spezifisch auf die Ziel-Moleküle eingestellt werden können. Gefahren lassen sich früh erkennen, die Reaktion wird exakt an die Lage angepasst. Die Umsetzung einer gezielten Gegenstrategie führt ohne Umwege zum gewünschten Ergebnis und verhindert die Verschwendung von Ressourcen.

In Zeiten neuer Herausforderungen für Medizin, Nahrungsmittelversorgung und Umweltschutz bietet die Weiterentwicklung dieser Biotechnologie viele neue Chancen für die Zukunft.