Wenn man die Gene als Buchstaben des Lebens bezeichnet, sind Proteine das Übersetzungsprogramm, welches den DNA-Code zum Leben erweckt. Für diese Aufgabe sind sie kompliziert aufgebaut: Über Drehen, Falten, Verknüpfen und Anheften erlangen diese Ketten aus 20 verschiedenen Aminosäuren räumliche Strukturen und damit ihre hochspezifische Funktion. Bereits geringfügige Störungen, wie der Kontakt mit einem Biochip, können sich fatal auf die Wechselwirkungen der Biomoleküle auswirken. Die Oberflächen von Biochips müssen daher biokompatibel ausgerüstet werden.

Die Suche nach neuen Pharmaka ist ein brennendes Thema der Life Sciences. Dazu muss eine große Anzahl proteinhaltiger Proben untersucht werden. Zu diesem Screening eignen sich Biochips mit maßgeschneiderter mikrostrukturierter Oberfläche. Je weiter die Proteomik, also die Untersuchung der Proteine von Organismen, voranschreitet, desto differenziertere Biochip-Sensoren werden benötigt. Biosensoren können – ausgerüstet mit den entsprechenden Fängerproteinen – zudem sicher und schnell Bakterien oder Gifte erkennen und in der Diagnostik und Analytik eingesetzt werden.

Der Stuttgarter Verfahrensingenieur Sven Knecht untersuchte in seiner Diplomarbeit am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart, wie durch eine neuartige Kombination nanotechnologischer Methoden mit Mikrostrukturierungstechniken Biochips künftig als hochempfindliche Nanopartikel-Monoschicht-Arrays gefertigt werden können. Anlässlich der Fraunhofer-Jahrestagung beim diesjährigen »Fest der Forschung« am 22. Oktober 2003 in Duisburg wurde Sven Knecht hierfür mit dem dritten Hugo-Geiger-Preis ausgezeichnet.

Biochips sollen möglichst umfangreiche und hochspezifische Bindungsstellen auf ihrer Oberfläche integrieren. »Meine Diplomarbeit demonstriert, wie maßgeschneiderte Biochips mit neuen, mikro- und nanotechnologischen Methoden erzeugt werden könnten«, erklärt Sven Knecht. In seiner Arbeit in der Gruppe Biomimetische Grenzflächen des Fraunhofer IGB deponierte er biochemisch funktionalisierte Nanopartikel als Mikrostruktur auf Glas-, Silizium- oder Gold-Chips: »Mit der Photolithographie beispielsweise lassen sich nicht nur elektronische Schaltkreise fertigen, sondern auch Mikrostrukturen auf Chip-Trägern erzeugen. Biochemisch funktionalisierte Nanopartikel fügen sich dann in diese Struktur ein«. Auch mittels Mikrokontaktstempelverfahren oder robotergesteuerten Mikroarrayern übertrug der Forscher gezielt Nanopartikel als Mikrostruktur.

»Die Nanopartikel als Bindestellenträger tragen wesentlich mehr spezifische Bindestellen auf die Oberfläche auf, als eine konventionelle direkte Strukturierung – die Biochips erhalten eine größere reaktive Oberfläche und werden damit noch empfindlicher«, beschreibt Dr. Günter Tovar, Leiter der Arbeitsgruppe Biomimetische Grenzflächen, die Vorzüge der neuen Technologie. »Insbesondere der modulare Charakter unseres Verfahrens macht es äußerst attraktiv für technische Produktionen.« Knechts Arbeit erregte auf mehreren internationalen Konferenzen hohe Aufmerksamkeit. »Diese Ergebnisse sind nicht nur wissenschaftlich, sondern auch wirtschaftlich hochinteressant «, erklärt Professor Herwig Brunner, Leiter des IGB, den Erfolg.

Der Hugo-Geiger-Preis für den wissenschaftlichen Nachwuchs wird seit dem 50-jährigen Jubiläum der Fraunhofer-Gesellschaft 1998 von der Bayerischen Staatsregierung gestiftet. Mit ihm werden hervorragende und anwendungsorientierte Diplomarbeiten oder Dissertationen auf dem Gebiet der Biowissenschaften (Life Sciences) ausgezeichnet. Kriterien der Beurteilung sind wissenschaftliche Qualität, wirtschaftliche Relevanz, Neuartigkeit und Interdisziplinarität der Ansätze.