Team 1

Labor auf dem Chip -Elektrische Biochiptechnologie

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Mit der Nominierung für den Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten werden die Arbeiten zur Entwicklung der elektrischen Biochiptechnologie ausgezeichnet.

Dr. Rainer Hintsche vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie hat in den vergangenen Jahren die wissenschaftlichen und anwendungstechnischen Grundlagen dieser Technologie entwickelt. Auf dieser Basis entstand zusammen mit der Industrie unter der Leitung von Dr. Walter Gumbrecht, Siemens AG, und Dr. Roland Thewes, Infineon Technologies AG, eine Plattform für den industriellen Einsatz der elektrischen Biochiptechnologie. Der Schlüssel für den Erfolg der Forscher ist die interdisziplinäre Vorgehensweise, um Elektrochemie und Biochemie mit der Welt der Siliziumchiptechnologie zusammenzuführen.

Das Forscherteam hat elektrische Biochips entwickelt, die als Basis für neuartige Sensorsysteme für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden können. Sie sollen die bedeutend schnellere, einfachere und kostengünstigere Analyse von Biomolekülen, wie Nukleinsäuren oder Proteinen, in der klinischen Diagnostik und der patientenindividuellen Medizin ermöglichen. Die kostengünstige Analyse von Erbmerkmalen und die Bestimmung krankheitsrelevanter Stoffe und Gifte sind einige Anwendungsbeispiele. In den nächsten Jahren sollen beispielsweise Arztpraxen, Krankenhäuser, aber auch Feuerwehr und Zivilschutz den elektrischen Biochip vor Ort für Routineuntersuchungen nutzen.

Die Chips sind etwa so groß wie ein Fingernagel. Auf ihnen werden unterschiedliche Biomoleküle verankert. Diese dienen als so genannte Fängermoleküle und können andere Moleküle an sich binden. Nach diesem Prinzip lassen sich zum Beispiel ganz bestimmte Sequenzen des Erbmoleküls DNA aufspüren. Hat man eine Hälfte eines DNA-Doppelstranges auf dem Siliziumchip montiert, so kann man den anderen zielsicher aus einer Mixtur verschiedenster Moleküle herausfischen. Nach diesem von der Natur abgeleiteten Schlüssel-Schloss-Prinzip lassen sich auch andere Sorten von Biomolekülen in niedrigsten Konzentrationen aufspüren. Damit wird der elektrische Biochip zu einem hochempfindlichen Sensor für DNA und Proteine.

Biochips gibt es schon seit einiger Zeit. Bislang arbeiten sie mit optischen Nachweistechniken, die im Einsatz jedoch relativ aufwendig sind. Der Clou der elektrischen Biochips: Sie messen biologische Erkennungsvorgänge direkt elektrisch auf dem Siliziumchip ohne komplizierte und teure optische Zwischenschritte. Sobald ein Fängermolekül auf dem Chip sein Gegenstück gebunden hat, entsteht ein elektrisches Signal, das direkt von einer Messelektronik ausgewertet wird. Voraussetzung für die Realisierung solcher Art Sensorsysteme ist die Siliziumchiptechnik und die Mikrosystemtechnik. Erst die Miniaturisierung erschließt der Elektrochemie diese Wirkprinzipien, da die Abmessungen relevanter Komponenten in den Nanometerbereich und damit in die Größe der Moleküldimensionen gebracht wurden.

Als Massenprodukt können die elektrischen Biochips kostengünstig mit den Verfahren der industriellen Halbleiterfertigung hergestellt werden. Zum „Labor auf dem Chip“ werden diese Biochips aber nur durch die Heranführung von Flüssigkeiten und Reagenzien an ihre Sensorflächen. Diese Kombination von Siliziumchiptechnologie, miniaturisierter Fluidik und Biotechnologie bildet das Herzstück miniaturisierter, transportabler und robuster Analysesysteme, für die sich vielfältige Marktpotenziale abzeichnen. Sie ermöglichen preiswerte Verfahren für die medizinische Labordiagnostik sowie schnelle, störungssichere und automatische Vor-Ort-Analysen z. B. in Krankenhäusern oder beim niedergelassenen Arzt. Weitere Anwendungen liegen in der Lebensmittelanalytik sowie in der Pharma-, Agro- und Umweltanalytik. Das größte Zukunftspotenzial wird in der individuellen Anwendung von Kontroll- und Diagnose-Geräten vor Ort erwartet. Mit Handy und Pocket PC gekoppelt können die elektrischen Biochips beispielsweise in scheckkartenähnliche Analysesysteme eingebunden werden und für jedermann anwendbar sein.

Basierend auf den elektrischen Biochips und ihrer Messtechnik sind bereits jetzt drei Start-up-Unternehmen gegründet worden, die sich jeweils auf unterschiedliche Anwendungen konzentrieren. Fünfzehn Universitäten und Firmen setzen bereits die elektrischen Biochips als Forschungs-, Entwicklungs- und Serviceplattform ein. Viele internationale Veröffentlichungen und Doktorarbeiten in den letzten Jahren zeigten die breite Anwendbarkeit und Robustheit der neuen elektrischen Biochips auf.

Der bedeutendste Fortschritt in den vergangenen beiden Jahren war die Entwicklung eines Sensorchips mit integrierter Auswerteelektronik, mit dem parallele, rein elektronische DNA- und Protein-Analysen möglich sind. Dieses erste vollelektronische Biosensorsystem der Welt ist das Ergebnis eines vom BMBF geförderten Großprojektes. Unter Führung der Siemens AG wurde das Silizium-Biointerface der Plattform übernommen und von der Infineon Technologies AG zu dem Sensorchip mit integrierter Elektronik weiterentwickelt und der Öffentlichkeit vorgestellt. Mittlerweile haben Siemens und Infineon schlagkräftige eigene Forschungs- und Entwicklungs-Bereiche für die elektrische Biochiptechnologie etabliert. Ziel dieser industriellen Aktivitäten sind neuartige Massenprodukte für die medizinische Diagnostik, wie für biochemische Umweltanalysen vor Ort. Der von Infineon erfolgreich realisierte erste vollelektronische Biochip der Welt hat mit seiner Schaltungstechnik und der Adaption der Plattform in einen großindustriellen Herstellungsprozess höchste internationale Anerkennung gefunden. Diese neue Generation elektronischer Biochips wurde bei der Siemens AG erfolgreich für die DNA-Identifizierung von speziellen Viren zur Krebsdiagnostik getestet.

Die elektrischen Biochips mit ihrer gelungenen fachübergreifenden Kombination von industrieller Siliziumtechnologie, Mikrosystemtechnik sowie Nano- und Biotechnologie bieten für den Standort Deutschland die Chance, einen neuen, bisher noch offenen High-Tech-Markt mit Zukunftspotenzialen zu besetzen. Sie sind eine eigenständige Entwicklung von deutschen Instituten und Unternehmen mit weltweiten Patentrechten und ein originärer Ansatz, für den bisher weltweit keine Konkurrenz erkennbar ist.

Informationen und Kontakt zum Deutschen Zukunftspreis unter:
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Internet: www.deutscher-zukunftspreis.de


Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Labor auf dem Chip – Elektrische Biochiptechnologie“ wurde von der Fraunhofer-Gesellschaft eingereicht.