Noch zu Beginn dieses Jahrtausends sprach die Wissenschaft von der Terahertz-Lücke. Denn es gab für alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, von den Radiowellen bis zur Röntgenstrahlung, zahllose Sender und Empfänger – nur für die Terahertz-Strahlung nicht. Sie liegt im Spektrum zwischen Infrarot-Licht und Mikrowellen. „Schon damals haben wir an der Idee gearbeitet, die Terahertz-Strahlung zur schnellen Analyse von DNA-Abschnitten und damit etwa zum Erkennen von Erbkrankheiten oder zur Bestimmung des individuellen Krebsrisikos zu nutzen“, sagt Prof. Haring Bolívar, Inhaber des Lehrstuhls für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik. Die Idee beruhte auf dem Wissen, dass Terahertz-Strahlen charakteristische Schwingungen und Verdrehungen in biologisch bedeutsamen Molekülen anregen können: Es entstehen starke Resonanzen, die von einem Terahertz-Empfänger gemessen werden können.
Erschienen in future 2020, dem Forschungsmagazin der Universität Siegen
„Anfang der 2000er-Jahre existierten allerdings noch keine käuflichen Terahertz-Systeme“, erläutert Prof. Haring Bolívar. Das erschwerte die Umsetzung der Idee. Heute hingegen hat sich die Terahertz-Lücke weitgehend geschlossen: Es gibt Messinstrumente beispielsweise zur industriellen Qualitätskontrolle. Und am Flughafen durchleuchten Terahertz-Körperscanner Reisewillige daraufhin, ob sie Waffen oder Sprengstoff am Körper tragen. Anders als die Röntgenstrahlung ist die Terahertz-Strahlung nicht gesundheitsschädlich, durchdringt aber beispielsweise Textilien, Papier und Kunststoff.
Problem: Nicht empfindlich genug
Auf dem Weg zu ihrem Ziel galt es für die Siegener Forschenden, ein großes Problem zu lösen: Eine typische Terahertz-Schwingung ist 300 Mikrometer lang, das entspricht 300 000 Nanometer. Biomoleküle oder charakteristische DNA-Abschnitte sind dagegen erheblich kleiner: Ihre Ausdehnung beträgt weniger als 100 Nanometer. Aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten kann man somit normalerweise nur recht große Mengen von Biomolekülen mit Terahertz-Strahlung aufspüren: „Die Methode war ursprünglich nicht ausreichend empfindlich“, so Dr. Anna Katharina Wigger, wissenschaftliche Mitarbeiterin von Prof. Haring Bolívar. Und somit war das Verfahren auch nicht konkurrenzfähig.
Wettbewerber ist unter anderem eine Methode, bei dem fluoreszierende Farbstoffe an künstlich hergestellte DNA-Einzelstränge gekoppelt werden. Bei den so markierten Einzelsträngen sind die informationstragenden Basen so angeordnet, dass sie die Gegenstücke beispielsweise zu veränderten Genen von Tumorzellen sind. Treffen die markierten DNA-Stücke auf einen entsprechenden Abschnitt in der Erbsubstanz der Tumorzellen, so bildet sich ein Doppelstrang, der dann unter speziellen Mikroskopen anhand des Leuchtens des Farbstoffes identifiziert wird. Damit dienen die markierten DNA-Einzelstränge als Sonden, um in einem Gemisch von unzähligen Biomolekülen einer Patientenprobe die gesuchte Erbsubstanz zu finden. „Dieses Verfahren ist etabliert und funktioniert auch bei kleinen Probemengen. Doch um es durchzuführen, benötigt man relativ viel Zeit und LabormitarbeiterInnen, die gut geschult sind und sorgfältig arbeiten“, urteilt Prof. Haring Bolívar.
Auch das Siegener Verfahren nutzt DNA-Einzelstränge als Sonden, doch kommt es ohne Fluoreszenzfarbstoffe aus, die aufwendige Arbeitsschritte erforderlich machen und die Analyse erschweren. Möglich ist der Verzicht auf Farbstoffe, weil die Terahertz-Resonanzen verraten, in welcher Form Erbsubstanz vorliegt: als einzelner Strang oder – nach dem Binden an die Sonde – als Doppelstrang.
Bei dem Verfahren werden zunächst viele verschiedene DNA-Sonden auf einem Plättchen – dem Biochip – verankert. Anschließend trägt man Extrakte von Gewebeproben eines Patienten oder einer Patientin auf den Biochip auf. Sind Gegenstücke zu den Sonden in den Proben, schließen sie sich zum Doppelstrang zusammen. Bringt man den Chip zwischen einen kompakten Terahertz-Sender und einen Terahertz-Empfänger, zeigt der Empfänger die Resonanzen an, die für Doppelstränge kennzeichnend sind: Somit ist klar, dass die gesuchte genetische Information in der Probe vorhanden ist.
Terahertz-Felder zielgenau verstärken
Im Laufe ihrer Forschungsarbeiten konnten die Siegener WissenschaftlerInnen die Empfindlichkeit des Verfahrens hundertmillionenfach steigern. Heute bauen sie ihre 2,2 Quadratzentimeter großen Chips aus einer Schichtenabfolge von Chrom, Gold, Chrom und Quarz auf, in die sie mit Hilfe eines Standardverfahrens der Computerindustrie mehr als 500 ringförmige Strukturen einfügen. „Diese dienen dazu, die Terahertz-Felder genau in den Frequenzbereichen zu verstärken, in denen ihr Einwirken auf die Biomoleküle zu einer Veränderung der Signale führt“, erläutert Dr. Wigger. Die Forschenden haben sich diese Strukturen patentieren lassen.
Im Punkt Empfindlichkeit kann die Terahertz-Methode nun mit anderen Verfahren mithalten. Den Biochip, vor allem aus Haftungsgründen als Wegwerf-Artikel konzipiert, würde ein kommerzieller Hersteller für rund 12 Euro fertigen können. Trotzdem ist das Verfahren derzeit noch nicht marktreif. Die größte Schwierigkeit: „Die DNA-Sonden binden noch nicht so verlässlich wie nötig am Chip. Daher sind die Ergebnisse der Analysen nicht eindeutig genug“, berichtet Prof. Haring Bolívar. Er ist aber zuversichtlich, dass er und seine MitarbeiterInnen dieses Problem innerhalb weniger Jahre lösen können.