Waage für Viren: Schwingende Mikroorganismen in der Ionenfalle

Pocken, HIV oder Grippe: So stark die Wirkung winziger Viren auf den menschlichen Organismus ist, so leicht sind sie. Ärzte und Lebensmittelkontrolleure sind im Interesse von Patient und Kunde an einem schnellen Nachweis der Kleinstlebewesen interessiert. Ein Forscherteam aus Taiwan nutzt nun keine aufwändige Bioanalytik, sondern sie bestimmen die Identität der Viren über ihr Gewicht. Ihr Trick: Sie lassen die Mikroorganismen in einem elektrischen Feld schwingen.

Virenwaage
Virenwaage

Taipeh (Taiwan) - Das Forscherteam aus Taiwan präsentierte diese sehr genaue Methode zur Virengewichtsbestimmung im Fachblatt "Angewandte Chemie".

Bisher waren Virenwaagen nicht genau genug für eine sichere Bestimmung, doch nun können Huan-Cheng Chang und seine Kollegen von der Academia Sinica in Taipei auf etwa ein Prozent genau präzise wiegen. Für eine Massenbestimmung luden sie die Virenpartikel in einem Luftstrom elektrisch auf und fingen die Mikroorganismen dann in einer Art Ionenfalle ein.

Für die Wägung strahlten die Wissenschaftler Laser-Licht in die Ionenfalle. Ist ein Partikel in der Falle, so wird das Licht daran gestreut. Durch die transparenten Flächen der Ionenfalle kann dieses Streulicht nachgewiesen werden. Ein Teil des Streulichts wird zu einer CCD-Kamera geleitet, die die Flugbahn des gefangenen Partikels aufzeichnet. Der andere Teil gelangt zu einem Messgerät, das das Streulicht-Signal genau analysiert. Da das Virus-Partikel in dem elektrischen Wechselfeld der Ionenfalle in Schwingungen gerät, ist das Streulicht gegenüber dem eingestrahlten Licht verändert.l Diese Schwingungen sind abhängig von der Masse und der elektrischen Ladung des Virus.

In ersten Messungen konnten die Forscher drei verschiedene Virentypen mit Durchmessern zwischen 80 und 300 Nanometer identifizieren. Die Massen bewegen sich dabei bei einigen Femtogramm, das sind rund zehn Millionstel eines Milliardstel Gramms. Jedes Reiskorn bringt 1000 Milliarden mal mehr Gewicht auf die Waage. Anhand der Virenmassen können -- in Kombination mit anderen analytischen Verfahren -- beispielsweise Rückschlüsse gezogen werden, aus wie vielen Bausteinen die Virenhülle aufgebaut ist.

Amerikanische Forscher von der Purdue University in West Lafayette entwickeln ebenfalls eine Virenwaage. Doch nutzten sie winzige Hebel aus Silizium, an die die Viren sich anheften. Eingestrahltes Laserlicht misst die von der Masse abhängige Auslenkung dieser Nanohebel, die quasi eine Waagschale bilden.

Auf der Oberfläche deponierten sie je nach Virustyp passende Antikörper, an die die Erreger einzeln andocken können. Mit einem hoch auflösenden Elektronenmikroskop kontrollierten sie die Anzahl der so eingefangenen Viren. Bereits vor der Belastung schwingt der Nanohebel mit einer spezifischen, festen Frequenz, der so genannten Resonanzfrequenz. Setzt sich nun dazu das Virus ab, verändert sich diese Frequenz. Über das Interferenzmuster aus zwei Laserstrahlen, von denen einer auf den Nanohebel scheint, lässt sich diese Abweichung von der ursprünglichen Frequenz und damit genau das Gewicht der wirkenden Last bestimmen.

Forschungsleiter Rashid Bashir will mit verschiedenen Antikörper-Beschichtungen seine Femtogramm-Waage auf verschiedene Virustypen anpassen. Mit solchen hochpräzisen Nanowaagen könnten dann in Krankenhäusern oder in Poststellen von Terror gefährdeten Einrichtungen die Konzentrationen beispielsweise von Pockenerregern genau ermittelt werden. "Unser Ziel ist ein Gerät, das in Echtzeit die Anzahl der Viren anzeigt, die durch die Luft über den Nanohebel driften", sagt Bashir.