Tragbarer DNA-Detektor

Ein neues portables Erbgut-Analysegerät kann nach einem Verbrechen direkt am Tatort DNA-Spuren untersuchen. Wissenschaftler an der University of California, Berkeley, entwickelten den Detektor, der alle notwendigen Mikrofluidik-Komponenten, die Elektronik, die Optik und die chemische Erkennungstechnologie in eine Einheit von der Größe eines Aktenkoffers packt. "Zwar wurden bereits so genannte "Lab-on-a-Chip"-Systeme entwickelt, doch keiner dieser Forschergruppen gelang es bisher, ein vollständig tragbares, robustes System herzustellen, das man direkt am Tatort einsetzen kann", sagt Projektleiter Richard Mathies.

Das neue Gerät kann für die so STR-Analyse eingesetzt werden, eine Technik, die in der modernen Gerichtsmedizin inzwischen Routine geworden ist, seit sie 1991 erstmals verwendet wurde: Dabei werden nicht kodierende Abschnitte der DNA auf so genannte "short tandem repeats" untersucht – Widerholungen von Basenpaaren, die für einen Menschen charakteristisch sind. Allerdings nutzte man sie bislang stets im Labor. Die Forscher führten im Versuch ein Echtzeit-STR-Profil – den so genannten genetischen Fingerabdruck – an einem Übungstatort durch, den die Polizeibehörden des Palm Beach County in Florida eingerichtet hatten. Proben von Blutflecken wurden gesammelt und die DNA-Extraktion und Analyse dann direkt vor Ort durchgeführt.

Verlässlich ist die Technik bereits jetzt, betont Mathies. Allerdings sei sie bislang noch nicht kommerziell erhältlich und könne deshalb nur eingesetzt werden, um vorläufige Spuren zu sichern, die dann im Labor nochmals nachgewiesen werden müssen. "Der Vorteil liegt darin, dass die Polizei nahezu sofort Informationen darüber erhält, wer als Täter vermutlich in Frage kommt", erklärt Mathies. Dies erlaube es den Behörden, diese Person dann mittels DNA-Abgleich aufzufinden, um wichtige Beweise zu sichern und zu verhindern, dass sie sich absetze oder Tatmittel zerstöre.

Mathies ist der Erfinder zweier wichtiger Technologien, die heute in fast jedem modernen DNA-Sequenzer stecken – sie kombinieren eine miniaturisierte chemische und biochemische Analyse mit hochsensibler Fluoreszenz-Erkennung: Nach der Entnahme einer Probe werden die DNA-Stränge zunächst vervielfältigt und voneinander getrennt, um die "Signatur" zu erfassen. In dem Gerät wird ein DNA-Fragment dazu in einer 160 Nanoliter-Polymerase-Kettenreaktion (PCR) repliziert, deren Reaktor mit einem auf dem Chip enthaltenen Wärmeelement und einem Temperatursensor verbunden ist. Die biologische Probe und die PCR-Reagenzien werden dann drei bestimmten Temperaturwerten ausgesetzt, jeweils für eine definierte Zeitspanne. Die eigentliche DNA-Analyse findet in einem sieben Zentimeter langen Separationskanal statt, in dem eine kapillare Elektrophorese durchgeführt wird. Mit dem Gerät konnten die Forscher erfolgreich reproduzierbare STR-Profile aus DNA-Proben entnehmen. Das war manchmal schon in zweieinhalb Stunden geschafft, die Maximalzeit lag bei sechs Stunden – schneller als im Labor.

Der Detektor misst 30 mal 25 mal 10 Zentimeter und wiegt lediglich zehn Kilogramm. Er benötigt nur 20 Watt elektrischer Leistung und lässt sich daher an einer Autobatterie betreiben. "Er kann deshalb problemlos in einem Koffer bewegt werden und auch als Fluggepäck aufgegeben werden", sagt Teammitglied Peng Liu.

Eine der größten Herausforderungen bei der Gestaltung eines tragbaren DNA-Sequenzers sind die Komponenten, die den Fluss der Probe durch das System kontrollieren. Mathies und sein Team entwickelten dafür einen Kunststoff-Chip aus mehreren Schichten, in dem ein komplexes System aus eingeätzten Kanälen steckt. Dieses System wurde mit der gleichen Technik hergestellt wie Computerprozessoren.

Die meisten US-Bundesstaaten sammeln inzwischen DNA-Proben von Verdächtigen, wenn diese festgenommen werden. Deshalb würden sich die Proben vom Tatort auch sehr schnell mit dieser Datenbank abgleichen lassen, sagt Mathies.

Das Berkeley-Team will nun die Empfindlichkeit seines Gerätes weiter verbessern und auch den Untersuchungsdurchsatz erhöhen. Zusätzliche Analyseschritte sollen das erreichen. Integriert man mehrere Einheiten, könnten sogar mehrere DNA-Proben gleichzeitig untersucht werden, sagt Liu. Von einer Marktreife sei in drei bis fünf Jahren auszugehen.

"Eine der Hauptbarrieren bei Lab-on-a-Chip-Technologien ist die Integration in funktionierende Systeme und von diesem Gesichtspunkt her ist dieses Gerät wirklich spannend", meint Stephen Haswell von der University of Hull in Großbritannien, der selbst an DNA-Analysemethoden für die Nutzung am Tatort arbeitet. "Für die Gerichtsmedizin ist das eine wichtige Entwicklung – aber auch für diejenigen, die funktionierende Lab-on-a-Chip-Systeme entwickeln wollen." (bsc)