Von Blanche Schwappach

Er reagiert nur auf Zucker, künstlichen Süßstoffen geht er nicht auf den Leim. Im Verlauf seiner Entwicklung wurde er kleiner und kleiner, so daß es heute Versionen von der Größe eines Füllfederhalters gibt: der Glucosesensor, um den sich Forscher seit etwa dreißig Jahren bemühen. Er ist eine Meßsonde, mit der sich der Gehalt des Zuckers Glucose in vielerlei Proben bestimmen läßt – im Wein des neuen Jahrgangs etwa oder im Blut und Harn eines Diabetes-Patienten.

Der Meßkopf wird in die Probe eingetaucht. Durch seine Hülle, eine Membran mit feinen Poren, wandern Zuckermoleküle nach innen, wo das Enzym Glucose-Oxidase ihnen Elektronen entzieht und damit eine chemische Reaktion einleitet, die von einem Paar Elektroden registriert wird. Es fließt ein Strom, dessen Stärke die Glucose-Menge in der Probe wiedergibt und leicht abgelesen werden kann.

Das Schlagwort Biosensoren bezeichnet jene Neuentwicklungen zwischen Technik und molekularer Biologie, in denen Biomoleküle gewissermaßen als "erkennende Bauteile" einer Meßsonde genutzt werden. Biosensoren könnten bald eine wichtige Rolle in der Lebensmitteltechnik, der Umweltkontrolle und in der Medizin spielen.

Erkennen ist eine grundlegende Aufgabe lebender Organismen, die im Laufe der Evolution auf verschiedene Weise gelöst wurde. Enzyme, die Katalysatoren des Stoffwechsels, erkennen die Substrate, die sie umwandeln sollen, oder sie registrieren Steuermoleküle, die das Funktionieren des Enzyms beschleunigen, verlangsamen oder gar abschalten. Antikörper unterscheiden zwischen körpereigenen und fremden Strukturen, Zellen bilden Kontakte mit ausgewählten Nachbarn, und auf ihrer Oberfläche empfangen sogenannte Rezeptormoleküle Signale aus anderen Bereichen des Körpers.

Den Ingenieur, der nach einer technischen Lösung des Problems "Erkennung" sucht, kann die Leistungsfähigkeit der biologischen Bausteine nur in Erstaunen versetzen. Ihre Stärke liegt in der zuverlässigen Unterscheidung von sehr Ähnlichem (im Fachjargon "Spezifität") und im Aufspüren kleinster Mengen der zu erkennenden Substanz (hohe "Affinität"). Diese naturgegebene Technik in neuartige Meßsonden einzubauen ist allerdings ein schwieriges Unterfangen, denn die Welten der Technik und der Biologie sind einander fremd. In der herkömmlichen Technik dominieren Materialien wie Metall, Glas und Kunststoff. Sie sind trocken, und je weniger sie sich im Verlauf der Zeit verändern, desto besser. Die Welt der Lebewesen ist jedoch naß und veränderlich. Das Beispiel der sogenannten Bananatrode, einem Bisosensor zum Nachweis des Neurotransmitters Dopamin, zeigt, wie schwierig es ist, das biologische Material haltbar im technischen Teil des Biosensors zu fixieren: Die Bananatrode enthält frisches Bananen-Fruchtfleisch im Meßkopf. Andere Biosensoren funktionieren mit Maiskörnern, Fischschuppen oder chemischen Rezeptoren aus den Fühlantennen von Krabben und Krebsen.

Die Erkennung ist nur der erste Schritt des Meßvorgangs. Ihr Ergebnis muß in ein ablesbares physikalisches Signal übersetzt werden, zum Beispiel in Strom. Die Entwicklung der Biosensoren begann in den sechziger Jahren mit Enzym-Elektroden. Sie registrieren den Fluß elektrischer Ladung, der entsteht, wenn das Enzym den zu messenden Stoff umsetzt. Weitere Meßsonden wurden konstruiert: Einige sprechen auf die Wärmeentwicklung während der Erkennungsreaktion an, andere detektieren Farbänderungen oder reagieren mit Hilfe eines hochempfindlichen Kristalls auf die zusätzliche Masse, die in Form der nachzuweisenden Substanz auf dem Meßkopf gebunden wird.