Am Institut für Nano- und Biotechnologien (INB) der FH Aachen wird an einer Sensortechnologie geforscht, die helfen soll, gesundheitsgefährdende Bakterien im Wasser nachzuweisen. Das Verbundprojekt ARENA (Antibiotic REsisteNce and Pathogenic Signature in Marine and Freshwater Aquaculture Systems) hatte eine Laufzeit von drei Jahren, das Teilprojekt am INB wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 250.000 Euro gefördert. In einem Anschlussvorhaben soll die neue Sensortechnologie bis zur Praxisreife weiterentwickelt werden.
„Unser Projekt hatte zwei Stoßrichtungen“, erläutert Prof. Dr. Michael J. Schöning, Direktor des INB. „Zum einen wollten wir den Sensor so aufbauen, dass er einzelne Bakterientypen möglichst sensitiv detektieren kann; zum anderen ist das System so ausgelegt worden, dass es vor Ort – etwa in Flüssen, Seen und Meeren – eingesetzt und Daten in Echtzeit liefern kann.“
Ein denkbares Einsatzszenario für derartige Messanlagen sind Aquakulturen. Sie spielen inzwischen eine bedeutende Rolle für die Nahrungsmittelproduktion. Im Jahr 2021 wurden weltweit 126 Millionen Tonnen Nahrungsmittel auf den sogenannten Aquafarmen hergestellt – das können Fische und Schalentiere sein, aber auch Algen. Auf diese Weise kann der steigenden Nachfrage nach diesen Produkten entsprochen werden, ohne das Problem der Überfischung weiter zu verschärfen. Der Boom der Aquakulturen bringt aber auch Herausforderungen mit sich: Die Tiere leben auf engem Raum zusammen; ideale Wachstumsbedingungen für Bakterien, unter anderem auch für Krankheitserreger wie Kolibakterien (Escherichia coli, E. coli) oder auch Vibrio spec. Eine erhöhte Keimbelastung schadet nicht nur den Tieren, sondern kann auch zur Gesundheitsgefahr für Menschen werden, die die Nahrungsmittel verzehren.
Dr. Dua Özsoylu forscht im Rahmen seiner Post-Doc-Arbeit am INB. Gemeinsam mit Kolleginnen im In- und Ausland hat er den neuartigen Biosensor auf der Basis von molekular geprägten Polymeren, sogenannten MIPs, entwickelt. Er erklärt: „Bislang nutzt man lebende Bakterien, um die Sensoren zu bauen. Wir haben eine Methode erforscht, bei der synthetisch erzeugte Muster verwandt werden.“ In der Praxis sieht das so aus: Auf der Sensoroberfläche werden Vertiefungen in einen Polymerfilm mittels Lithographie-Techniken eingebracht. In Form und Größe entsprechen sie genau dem Bau der jeweiligen Keime. Die Bakterien werden bei der Messung sozusagen „gefangen“, die Empfindlichkeit konnte durch die neuartige Produktionsmethode deutlich gesteigert werden. Der Clou ist, dass die Forschenden sogar eine Methode gefunden haben, Details auf der Oberfläche der Bakterien nachzubilden – und das im Nanometerbereich.
„Das kann man sich wie winzige Härchen vorstellen“, erklärt Dr. Özsoylu. Weil keine „echten“ Bakterien bei der Konstruktion genutzt werden, ist das Verfahren vielfältig einsetzbar und die erzeugten Muster können „gefahrlos“ an die Partner sowie Nutzer versandt werden.
Der Sensor selbst ist etwa so groß wie ein Ein-Euro-Stück. Beim Praxiseinsatz soll er aber nicht nur Bakterien aufspüren, er soll auch wasserspezifische Parameter erfassen. „Wir können simultan die Temperatur, den pH-Wert und den Salzgehalt des Wassers ermitteln“, sagt Prof. Schöning. Diese Parameter können dann wiederum in Relation zur Anzahl der Bakterien im Wasser gesetzt werden. So lässt sich nicht nur frühzeitig erkennen, ob eine Gesundheitsgefährdung durch eine erhöhte Keimbelastung auf einer Aquafarm droht, sondern auch, welche Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Faktoren bestehen und wie die Aquakulturen so effizient wie möglich betrieben werden können. Prof. Schöning sieht ein großes Potenzial für die Weiterentwicklung der Technologie. Ein nächster Schritt könnte die intensive Erprobung unter Realbedingungen sein. „Wir sind jetzt an einem wichtigen Punkt. Wir möchten weitere Forschungsanträge stellen, um unsere Arbeit so gut wie möglich fortsetzen zu können“, betont er. Ein mögliches Einsatzszenario für die Biosensoren ist auch die Reinigung von Wasser, etwa durch Filtermembranen im Trinkwassernetz.
Das INB-Forschungsvorhaben im Rahmen von ARENA ist Teil der europäischen ERA-NET Cofound Initiative AquaticPollutants, die 18 internationale Projekte umfasst. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Teilprojekt des INB vollständig mit 249 510 Euro; das Gesamtprojektvolumen von ARENA beläuft sich auf 1,1 Millionen Euro. Insgesamt standen für die europäische Forschungsinitiative AquaticPollutants 25 Millionen Euro bereit.
Bereits jetzt hat sich die Arbeit für die beteiligten Forscher:innen ausgezahlt. Die Ergebnisse wurden in wissenschaftlichen Journalen veröffentlicht, unter anderem in „Biosensors and Bioelectronics“. Bei der Abschlusskonferenz der AquaticPollutants-Projekte in Frankfurt a.M. wurde Dr. Özsoylu mit einem Posterpreis ausgezeichnet. Er ist dankbar für die gute Zusammenarbeit mit den Kolleg:innen am INB, aber auch an anderen beteiligten Universitäten und Forschungseinrichtungen. Der Reinraum am Campus Jülich habe ideale Bedingungen für den Bau der Sensormodelle geboten. Auch die enge Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Patrick Wagner von der KU Leuven habe das Projekt entscheidend vorangebracht.
