Foto: Biametrics
Woran mangelt es Biolaboren am allermeisten? An Zeit und Geld. Die markierungsfreie, zeitaufgelöste Analyse von biomolekularen Interaktionen löst dieses Problem, behauptet ein schwäbisches Start-up.
Auf dem Bildschirm wabert ein blaues Quadrat, hier und da werden Flecken heller und heller und leuchten schließlich in grellem pink oder orange. Sternenhimmel im Planetarium? Nein, die Laborjournal-Reporterin verfolgt am Rechner ein Webinar zur 1-lambda-Reflektometrie und wird Zeuge der Bindung von Antikörpern gegen das Epstein-Barr-Virus an diversen Antigenen – in Echtzeit.
Währenddessen erklären am anderen Ende der Leitung die Biametrics-Gründer und Geschäftsführer Florian Pröll (wegen einer Erkältung eher schweigsam) und Günther Proll, was 1-lambda-Reflektometrie überhaupt ist.
Die Technologie basiert auf der reflektometrischen Interferenzspektroskopie (RIfS), eine auf dem Fabry-Pérot-Prinzip aufbauende, markierungsfreie Detektionsmethode. Der Tübinger Chemiker Günter Gauglitz war an deren Entwicklung maßgeblich beteiligt (siehe Interview auf Seite 50). In dessen Labor trafen Pröll und Proll während ihrer Promotion das erste Mal aufeinander. Im Jahr 2007 wagten die beiden mit einer Biametrics-Vorläufergesellschaft erste unternehmerische Schritte, bis drei Jahre später die GmbH in ihrer jetzigen Form gegründet wurde.
Laut Pröll fanden die beiden Jungunternehmer damals „fast paradiesische Zustände für eine Ausgründung“ vor. Unterstützt wurden sie nicht nur von der Uni Tübingen und der Einrichtung für Technologietransfer. „Herr Gauglitz legte sich mit persönlichem Engagement ins Zeug“, betont Pröll. Nach wie vor kooperieren Biametrics und die AG Gauglitz in vielen Grundlagenforschungsprojekten. Eine Startfinanzierung im Jahr 2010 sowie etliche Förderprojekte von Land, Bund und EU ermöglichten es, die Idee in ein Produkt zu verwandeln; im vergangenen Jahr steckten Investoren weitere 3,1 Millionen Euro in das junge Biotech-Unternehmen. Anfang 2016 zogen die bald dreizehn Mitarbeiter in neue Räume in Tübingens Norden, ganz in die Nähe des Technologieparks.
Aber zurück zur RIfS. Um das Prinzip zu erklären, nimmt Proll die Seifenblase zu Hilfe. Die ist bekanntermaßen ein Gebilde aus einer dünnen Wasserschicht, umgeben von je einem inneren und äußeren Film aus Seifenmolekülen. „Wenn weißes Licht auf eine Seifenblase fällt, spiegelt es sich gleich zweimal, einmal an der Außenseite und einmal an der Innenseite“, so Proll. Die an der inneren Seifenwand reflektierten Lichtwellen treffen auf ihrem Rückweg auf das an der äußeren Seifenwand reflektierte Licht. Je nach Dicke der Seifenblasenhaut überlagern sich einige Lichtwellen dabei und löschen sich aus. Diese sogenannte destruktive Interferenz führt dazu, dass der Betrachter nur noch Teile des Lichtspektrums als schimmerndes Farbenspiel sieht, die Komplementärfarben. „Welche Farben erscheinen, hängt vom Standort der Lichtquelle und von der Dicke der Seifenhaut ab.“, erklärt der technische Biologe.
Die 1-lamda-Reflektometrie beschränkt sich auf nur eine Wellenlänge. Statt aufwändig ein Spektrum zu messen, reichen LED und eine einfache Kamera. Ist die Wellenlänge abgestimmt auf das richtige Glas, seien die Informationen die gleichen, so Proll. Und nicht nur die Technik soll einfacher werden, auch ihr Name. Proll möchte das Wortungetüm „1-lambda-Reflektometrie“ auf Dauer durch SCoRe (single color reflectometry, Einfarbenreflektometrie) ersetzen. „Das ist für den Kunden besser zu verstehen“, ist er sich sicher.
Vorschlag der Laborjournal-Redaktion: Proll sollte die scheußlichen Binnenversalien auch gleich entsorgen und den noch verständlicheren Begriff „Score“ verwenden.
Aber wie kommen wir nun von „Score“ zu den hellen Flecken auf blauem Grund? Da hilft ein Blick auf den Firmennamen: Das Messen (metrics) von Biomolekularen Interaktionen (Biomolecular Interaction Analysis; BIA). „Biomoleküle, das ist alles, was die Gesamtheit eines Organismus‘ zu bieten hat, also Proteine, Peptide, Zuckerstrukturen, Fettsäuren, Nukleinsäuren bis hin zur Messung mit lebenden Zellen“, erläutert Proll. Aber auch Kinetiken, der Schlüssel aller Prozesse im Organismus, seien wichtig, ob als natürliche Stoffwechselwege, DNA- oder Proteinbindungen, Wechselwirkungen zwischen Hormon und Rezeptor. So lasse sich das gesamte Interaktom einer Zelle abbilden.
Rein praktisch schaut das nun so aus: Auf einer beschichteten Glasoberfläche werden beispielsweise Antikörper immobilisiert und durch das Glas mit grünem Licht bestrahlt. Teile des Lichts reflektieren an beiden Phasenübergängen, also Glas-Antikörper und Antikörper-Puffer, und bilden so ein charakteristisches Interferenzmuster. An die Antikörper binden spezifische Antigene aus einer Probe und erhöhen so die Dicke der biologischen Schicht. Als Folge ändern sich Brechungsindex und Intereferenzmuster. „Das führt schlussendlich ganz banal zu einer Intensitätsänderung, die wir mit einer Kamera abfilmen“, resümiert Proll.
Biomolekulare Interaktionen zu messen ist nun aber nichts revolutionär neues. Der Markt bietet für fast jedes Problemchen eine Lösung. Klassische Fluoreszenz-Microarrays böten den Vorteil, dass viele Biomoleküle gleichzeitig gemessen werden könnten, bis zu 30.000 pro Objektträger, holt Proll aus. „Mit so einem Fluoreszenzmarker-Array kann man im Hochdurchsatz standardisiert sehr viele Interaktionen sichtbar machen“. Problematisch seien aber Artefakte aufgrund der Fluoreszenz-Färbung. Durch nötige Waschschritte verlöre man zudem unter Umständen interessante Binder.
Demgegenüber stünden die markierungsfreien Messtechniken, so Proll, die keinen hohen Durchsatz erlaubten. Allerdings könne man hier die Bindung von Fängermolekül an seinen Liganden in Echtzeit verfolgen und somit Kinetiken, Assoziations- und Dissoziationskonstanten bestimmen. „Man sieht, wie eine Bindung zwischen zwei Biomolekülen entsteht und wie sie sich wieder löst.“, präzisiert Proll das Imaging-Prinzip.
Die Biametrics-Leute haben die Vorteile beider Techniken in einem Gerät vereint und ihm den Namen „b-screen“ gegeben. Auf beschichteten Glasobjektträgern lassen sich mithilfe funktioneller Gruppen Fängermoleküle der Wahl immobilisieren und so bis zu 10.000 einzelne Wechselwirkungen gleichzeitig filmen und mathematisch auswerten – vollautomatisch. Kleine Moleküle von 150 Dalton wie auch große Proteinkomplexe lassen sich mühelos abbilden. „Wir haben eine Eindringtiefe [des Lichts], die etwas größer ist als zum Beispiel eine [eukaryotische] Zelle dick ist“, sagt Proll. „Deswegen sehen wir eine Zelle als ganzes auf der Oberfläche; wir sehen sogar das Anbinden von Antikörpern auf Zellen.“ Dieses Gesamtkonzept sei momentan einzigartig auf dem Markt, da sind sich beide Biametrics-Geschäftsführer einig.
Seit 2014 ist b-screen auf dem Markt verfügbar. Bei der Entwicklung half neben der AG Gauglitz auch Günter Roth von der Uni Freiburg. „In einem kleinen Unternehmen ist es nicht so einfach, alles selber zu entwickeln, da braucht es entsprechende Partner“, stellt Pröll klar. „Roth hat nach unseren Spezifikationen und Hardware-Forderungen sozusagen den Prototypen gebaut.“
Für Serienproduktion und Vertrieb hat Biametrics sich mit dem Gerätebauer Berthold Technologies (Bad Wildbad) einen erfahrenen Kooperationspartner zur Seite geholt, der mit Niederlassungen beispielsweise in Japan, China und den USA der Tübinger Firma den weltweiten Markt öffnen soll.
Mit etwa 190.000 Euro ist der kopiergerätgroße Apparat nicht gerade kostengünstig in der Anschaffung. „Wenn man sich aber das Verbrauchsmaterial anschaut und damit die Kosten pro Datenpunkt, dann sind wir um ein vielfaches günstiger als vergleichbare Technologien“, versichert Proll. Praktische Aufgabenstellungen gäbe es reichlich. Man denke nur an das Screenen neuer Wirkstoffkandidaten und therapeutischer Antikörper in der Pharmaindustrie, an Techniken wie Phage Display und an die virale Diagnostik.
Mit der Berliner Firma JPT Peptide Technologies beispielsweise optimiere seine Firma derzeit einen Peptid-Microarray, auf dem verschiedene Epitope des Epstein-Barr-Virus (EBV) immobilisiert sind, erzählt Proll. Dieser gehört zu den Herpesviren und durchseucht große Teile der Bevölkerung bereits im Kindsalter, ohne dass Symptome auftreten. Bei Erwachsenen hingegen manifestiert sich eine Infektion manchmal als Pfeiffersches Drüsenfieber. Einige der Patienten würden infolge einer Infektion Autoimmunkrankheiten und andere schwerwiegende Nachfolgeerkrankungen entwickeln, sagt Proll. Mithilfe des Microarrays könne Patientenserum auf Antikörper gegen bestimmte Epitope getestet werden. Es entstünde eine Art Muster, das mit dem klinischen Bild korreliere. Ziel sei eine schnellere, sicherere Diagnostik für Menschen mit einer EBV-Infektion.
Anders herum könne man mit „Score“ auch Viren aus Serum und sogar Vollblut fischen, so Proll, was die Technologie in den Fokus des Seuchenschutzes rücke. Gemeinsam mit dem Robert-Koch-Institut (Berlin) arbeite man an einem Immunassay zum Nachweis von namhaften Viren wie Ebola, Dengue oder Zika. Anwendung finden könne dieser Schnelltest beispielsweise an Flughäfen.
Mit dem so gut wie fertigen Score-Gerät „b-portable“ rückt die mobile Anwendung in greifbare Nähe. Kompakt verpackt präsentiert sich die gleiche Messtechnik wie beim „b-screen“ für etwa ein Zehntel des Großgeräte-Preises. „Es gibt kein vergleichbar günstiges, qualitativ hochwertiges Gerät, welches diese Wechselwirkungen messen kann“, preist Proll die schwäbische Entwicklung an.
Und sein Compagnon Pröll ergänzt: „Wir wollen nicht nur Geräte und Verbrauchsmaterial verkaufen, sondern auch Fragestellungen des Kunden lösen“. Man wolle ein „Rundum-Sorglos-Paket“ anbieten, so der Chemiker.