(v.l.n.r.) Dr. rer. nat. Walter Gumbrecht, Dr. rer. nat. habil. Rainer Hintsche, Dr.-Ing. Roland Thewes

Dr. rer. nat. habil. Rainer Hintsche (Sprecher)
Dr. rer. nat. Walter Gumbrecht
Dr.-Ing. Roland Thewes
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT), Itzehoe
Siemens AG, Power & Sensor Systems, Corporate Technology, Erlangen
Infineon, München

Mit Biochips lassen sich selbst kleinste Spuren organischer Moleküle aufspüren - etwa bei der Suche nach Giftstoffen in Lebensmitteln. Doch Herstellung und Handhabung der Sensoren sind aufwendig und teuer. Wie lässt sich die Nutzung von Biochips vereinfachen?

Eine Antwort auf diese Frage entwickelten Rainer Hintsche, Walter Gumbrecht und Roland Thewes mit einer Technologie, die die biologischen Bestandteile auf dem Chip mit mikroelektronischen Komponenten verbindet. Rainer Hintsche leitet die Abteilung Biotechnische Mikrosysteme am Itzehoer Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie IST, Walter Gumbrecht ist Projektleiter elektrische Lab-on-a-Chip-Systeme bei Siemens Corporate Technology in Erlangen, Roland Thewes verantwortet die Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu CMOS-basierten Biosensoren bei Infineon Technologies in München.

Fängermoleküle fischen nach der DNA
Mit einem Biochip kann man in wässrigen Lösungen Biomoleküle wie Nukleinsäuren oder Proteine ausfindig machen. Nach dem „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ binden auf dem Chip verankerte Biomoleküle - sogenannte Fängermoleküle - zielsicher bestimmte andere Moleküle an sich. Damit entsteht ein hochempfindlicher Sensor etwa für DNA oder Proteine. Das Auslesen der damit erzielten Ergebnisse erfolgt jedoch bisher meist -technisch aufwendig und teuer - mit einem Lichtstrahl.

Den drei Forschern ist es gelungen, diese Methode durch eine deutlich einfachere und preiswertere Technologie zu ersetzen. Dazu werden die Resultate über elektrische Messungen auf dem Chip ausgelesen. Grundlage dieses Verfahrens ist die Erkenntnis, dass das Fängermolekül, sobald es sein Gegenstück gefunden hat, ein elektrisches Signal auslöst, das sich direkt auswerten lässt.

Massenfertigung von Minilabors
Das von Hintsche am IST erarbeitete Messprinzip wurde gemeinsam mit Siemens und Infineon weiterentwickelt, unter der Regie von Gumbrecht und Thewes. Ziel war es, ökonomisch sinnvolle und industriell in großer Zahl herstellbare Sensorsysteme zu gestalten, die als Minilabors eingesetzt werden können. Zum „Labor auf dem Chip“ werden die Systeme aber erst durch das Aufbringen von Flüssigkeiten und Reagenzien auf die Sensorflächen. Die gesamte Innovation besteht aus der Kombination von Siliziumchiptechnik, Biotechnologie und miniaturisierter Fluidik.

Die Forscher schufen damit die Basis für winzige, transportable und zugleich robuste Analysesysteme im Scheckkartenformat. Preiswerte Labordiagnostik und schnelle Vor-Ort-Analysen, zum Beispiel zum Auffinden von Giften, sind mit dem „Labor auf dem Chip“ ebenso möglich wie die individuelle Kontrolle von Patientenmesswerten. Das Prinzip der elektrischen Biochips lässt sich auch in der Lebensmittelanalytik, der Pharmazie sowie der Landwirtschafts- und Umweltanalytik nutzen. Die Preisträger haben ihre Erfindungen durch über 50 Patente abgesichert.