Nanoporen sind minimal kleinste Poren in Nanometergröße. Integriert in eine elektrisch isolierende Membran, die zwei mit leitender Lösung gefüllte Räume trennt, können sie zur Detektion einzelner Moleküle verwendet werden. Das Nachweisprinzip basiert dabei darauf, dass nach Anlegen einer Spannung an die Membran ein Ionenstrom durch die Nanopore fließt. Sobald ein Molekül die Pore passiert, nimmt dieser Strom ab. Der Strom kann detektiert werden und lässt Rückschlüsse auf die Art des durch die Nanopore bewegten Moleküls zu.

In Mikrometerabmessungen wird ein ähnliches Messprinzip schon seit den 1960er Jahren zur Zählung oder Größenbestimmung von Zellen verwendet; für einzelne Moleküle mithilfe bakterieller Porenproteine mit Abmessungen im Nanometerbereich seit Mitte der 1990er Jahre. Mit diesen Proteinporen gelang erst vor einigen wenigen Jahren ein Durchbruch im Bereich der Sequenziertechnik. Diese Sequenzierungsverfahren der 3. Generation (Third Generation Sequencing TGS) können die als Einzelmolekül-Analysen mit enormen Leselängen durchgeführt werden und eröffnen seither ganz neue Möglichkeiten, beispielsweise zur Sequenzierung ganzer Genome in kurzer Zeit.

Proteine werden bisher mit aufwendigen und teuren massenspektrometrischen Verfahren in Kombination mit chromatografischen Trennschritten sequenziert. Dabei können chemische Modifikationen – oft wesentlich für die Proteinfunktion – zwar detektiert, aber oft nicht sicher lokalisiert werden.

Dies soll sich in nicht allzu ferner Zukunft ändern: Der Freiburger Forscher Prof. Dr. Jan C. Behrends hat kürzlich gemeinsam mit Kollegen eine Möglichkeit entwickelt, um alle 20 proteinogenen Aminosäuren anhand des Ionenstroms einer biologischen Nanopore erkennen und charakterisieren zu können.¹⁾ Die Technik könnte zukünftig ganz neue Möglichkeiten eröffnen. „De novo sequenzieren können wir im Moment noch nicht, aber wir haben ein Proof of Principle für eine Methode zur Sequenzerkennung entwickelt“, berichtet Behrends. „Darüber hinaus können wir posttranslationale Modifikationen aufspüren und sogar genau lokalisieren, an welcher Aminosäure die Veränderung stattgefunden hat. Das kann die Massenspektrometrie nur mit sehr großem Aufwand und nicht mit großer Sicherheit leisten. Wir haben mithilfe der Poren auch Peptide mit exakt der gleichen Masse unterschieden und damit gleichsam einen Detektor für die Molekülform zur Hand.“

Die technischen Voraussetzungen für diese innovative Technologie zur Proteinanalyse hatte Behrends mit seiner Arbeitsgruppe am Institut für Physiologie der Universität Freiburg in Kooperation mit der Ausgründung IONERA Technologies GmbH entwickelt.²⁾ Gemeinsam mit dem Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK der Universität Freiburg und der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. wurden darüber hinaus erste Schritte zu einer geeigneten Verstärkertechnologie entwickelt, die mit Nanopore und Membran technisch auf kleinstem Raum integriert werden kann.³⁾

Ein enormes Potenzial für die moderne Medizin, das möglichst schnell genutzt werden müsse, wie international führende Forscher aus Baden-Württemberg fanden und sich im Februar 2021 gemeinsam beim BMBF mit dem Zukunftsclusterantrag "nanodiagBW" bewarben, der die neue Methodik zur positionsgenauen Analyse von Proteinen in den nächsten Jahren zur Anwendung führen soll.

Dass dies rasch und effizient angegangen werden soll, wird auch von unabhängigen Experten so gesehen: Im Frühjahr dieses Jahres hat eine Jury des BMBF aus 117 eingereichten Beiträgen zum themenoffenen Wettbewerb der Zukunftscluster-Initiative „Clusters4Future“ insgesamt 15 Vorschläge zur Förderung einer Konzeptionsphase empfohlen – einer unter zwei Finalisten aus Baden-Württemberg ist nanodiagBW.

„In Vorprojekten wurde schon unter Hochdruck gearbeitet, und bereits in diesen Tagen starten wir die Konzeptionsphase“, berichtet Prof. Dr. Felix von Stetten, Hahn-Schickard-Institutsleiter in Freiburg und Sprecher von nanodiagBW. „Unsere Netzwerkaktivitäten führen rund 40 Akteure, überwiegend mit Kern in Baden-Württemberg zusammen.“

Zu Forschung und Entwicklung sollen auch noch zahlreiche andere Aktivitäten hinzukommen, zum Beispiel Graduiertenprogramme, Clustering mit weiteren Verbänden, Fachgruppenveranstaltungen für Mediziner/-innen, Patient/-innen und interessierte Bürger/-innen oder Gründerakademien. „Das Schöne an Baden-Württemberg ist, dass wir hier alle technologischen Komponenten haben, die wir im innovativen Ökosystem des Clusters zusammenführen wollen, um sie zu einer verbesserten Prognostik für Patienten nutzbar zu machen“, so von Stetten.

Und auch die Relevanz für die Medizin der Zukunft sei groß, wie Behrends betont, der stellvertretender "nanodiagBW"-Sprecher ist: „Epigenetische Marker nachweisen zu können, das ist ein extrem heißes Forschungsfeld. Sie sind nachweislich assoziiert mit vielen Zivilisationserkrankungen. Beispielsweise wissen wir, dass bestimmte Acetylierungen von Histonen eine Rolle beim Zellwachstum spielen, also auch bei der Entstehung von Krebs oder bei Entwicklungsstörungen. Ein lohnendes Ziel sind auch bakterielle und virale Genome. Wenn wir in der Lage sind, solche Marker zuverlässig nachzuweisen, können Mediziner in einer ganz neuen Dimension arbeiten; Stichwort: Prognostik statt Diagnostik.“

Ein weiterer Aspekt, auf den der Zukunftscluster abzielt, sind die Produkte, die aus der Technologieplattform entstehen können: „Der Cluster soll ein Nährboden für zahlreiche Ausgründungen sein“, sagt von Stetten. „Denkbar sind beispielsweise verschiedene Assays, die als Diagnostikprodukte vermarktet werden könnten, aber auch die Plattform selbst, sobald sie entsprechend weiterentwickelt wurde. Unsere Vision ist, auf lange Sicht „Vor-Ort-Tests“ zur Verfügung stellen zu können, der erste Meilenstein wird aber zunächst einmal ein kostengünstiges Benchtop-System sein.“

Im Moment werden die Nanoporen-Sensoren in den Instituten der Innovationsallianz Baden-Württemberg und der Universität Freiburg hergestellt, aber am Ende soll eine ganze Produktionslinie aufgebaut werden. Derzeit sei die Technologie an der Schwelle zur Umsetzung wie von Stetten sagt: „Aber ein Produkt daraus zu entwickeln, das ist so nicht möglich. Dazu brauchen wir die Synergien im Cluster und die Möglichkeit, über die nächsten zehn Jahre mit einem konstanten Team zu arbeiten.“ Konkrete Anwendungen habe man schon im Blick. Hauptschwerpunkt sollen zunächst epigenetische Marker für die Onkologie sein, aber auch eine beschleunigte Impfstoff-Entwicklung habe man im Fokus.