Nanodiag BW: Auf dem Weg zu einer neuen Generation von Biosensoren auf der Basis von Nanoporen

Nanoporen sind Kanäle mit molekularen Abmessungen. In Biosensoren eingesetzt, können sie zur Charakterisierung und Unterscheidung einzelner Moleküle genutzt werden. Der Cluster nanodiag BW hat im Rahmen der Initiative „Cluster4Future“ eine umfangreiche Förderung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung erhalten. Ziel ist es, die Nanoporentechnologie zur Identifizierung epigenetischer Krankheitsfaktoren voranzutreiben.  AMO GmbH ist einer der Clusterpartner und bringt ihre Expertise in der Nanostrukturierung in die Entwicklung einer skalierbaren Nanoporentechnologie auf Basis von 2D-Materialien ein.

„Cluster4Future“ist eine Initiative, die 2019 von der deutschen Bundesregierung im Rahmen der Hightech-Strategie 2025 gestartet wurde. Es handelt sich um einen themenoffenen Wettbewerb zur Förderung regionaler Innovationsnetzwerke, die Akteure aus Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft zusammenbringen, um gesellschaftliche Herausforderungen durch die Erschließung neuer Technologien zu bewältigen. Die Finanzierung für jedes Cluster beträgt bis zu 45 Millionen Euro für neun Jahre. AMO hat sich erfolgreich an den ersten beiden Ausschreibungen der Initiative beteiligt, zunächst mit dem Cluster NeuroSys, koordiniert von Prof. Max Lemme, und jetzt mit dem Cluster nanodiag BW, koordiniert von Prof. Felix von Stetten vom Hahn-Schickard-Institut in Freiburg.

Nanoporentechnologie für die molekulare Diagnostik der Zukunft

Während sich der Cluster NeuroSys mit neuromorpher Hardware für Anwendungen der künstlichen Intelligenz beschäftigt, verfolgt nanodiag BW die Vision, miniaturisierte Einzelmolekülanalysatoren auf Basis der Nanoporentechnologie zu entwickeln, um die Prävention, Therapie und Monitoring von Krankheiten zu verbessern. Diese neue Technologie basiert auf der Messung kleinster Ionenströme durch winzige Poren, die tausendmal schmaler sind als ein menschliches Haar, die in isolierenden Membranen hergestellt werden. Wenn Biomoleküle wie DNA oder Peptide in die Poren eindringen, blockieren sie den Strom teilweise. Die daraus resultierende Stromblockade liefert Informationen über die Art, Sequenz oder Modifikation dieser Biomoleküle. Im Vergleich zu anderen Analysemethoden wie der Massenspektrometrie bietet die Nanoporentechnologie eine bessere Spezifität und kann bei entsprechender System- und Prozessintegration dezentrale Anwendungen, z.B. für die Point-of-Care (POC) Diagnostik, ohne Fachpersonal ermöglichen.

AMO nimmt im Cluster nanodiagBW eine gewisse Sonderrolle ein, da es einer von nur drei Partnern ist, die nicht in Baden-Württemberg ansässig sind (die anderen beiden sind AIXTRON SE und die RWTH Aachen). Tatsächlich sind die meisten Aktivitäten von nanodiagBW rund um Freiburg, Stuttgart und Ulm angesiedelt und bauen auf der an der Universität Freiburg und am Hahn-Schickard-Institut bereits vorhandenen Expertise zu Nanoporen in biologischen Membranen auf.

Der Festkörpernanoporen-Analysator

AMO und die anderen nordrhein-westfälischen Partner sind an einem der explorativsten Teile des Clusters nanodiagBW beteiligt: dem Teilprojekt „Festkörpernanoporen-Analysator“, das die Entwicklung von Einzelmolekülsensoren auf der Basis von Nanoporen in Festkörpermembranen zum Ziel hat. Diese versprechen mehrere Vorteile gegenüber „konventionellen“ Nanoporen in biologischen Membranen, wie z.B. Robustheit, Flexibilität und bessere Aussichten auf industrielle Herstellbarkeit und Integration mit Ausleseelektronik. Die Technologie der Festkörper-Nanoporen steckt jedoch noch in den Kinderschuhen und es gibt ungelöste Probleme bei Konzept, Design, Herstellung und Funktionalisierung. Das Projekt „Solid-State Nanopore Analyzer“ zielt darauf ab, diese Probleme zu lösen, indem Kompetenzen in den Bereichen Materialwissenschaft, MEMS- und CMOS-Technologie, Nanostrukturierungsprozesse, Oberflächenfunktionalisierung, Modellierung und Simulation, Methoden des maschinellen Lernens sowie innovative Mikroelektronik und Mikrofluidik zusammengeführt werden.

AMO bringt sein langjähriges Know-how in der Abscheidung von 2D-Materialien und der Übertragung dieser Schichten auf Standard-Halbleiterwafer in das Projekt ein.  Darüber hinaus wird AMO seine Expertise in der Strukturierung dieser Materialien im Nanometerbereich mittels Elektronenstrahllithographie und Trockenätzen einbringen.

„Ich freue mich darauf, unsere Erfahrung in der Nanofabrikation und der Verwendung von 2D-Materialien für eine Anwendung aus dem Bereich der medizinischen Diagnostik im Zusammmenspiel mit Kolleginnen und Kollegen aus vielen anderen Wissenschaftsdisziplinen nutzbar machen zu können“, sagt Dr. Jens Bolten, Leider der Nanostrukturierungsgruppe der AMO.

Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Entwicklung und Optimierung von Prozessen zur Realisierung von Strukturen mit ultrahoher Auflösung unter Verwendung von Lithographie und maßgeschneiderten Trockenätzprozessen. Das Projekt „Solid State Nanopore Analyzer“ wird von Prof. Alfons Dehé von Hahn-Schickard gemeinsam mit Dr. Franz Lärmer vom Robert Bosch Forschungszentrum in Renningen koordiniert und mit rund 5,4 Millionen Euro gefördert.

Mehr Informationen auf der Cluster-Webseite: https://www.hahn-schickard.de/nanodiag

 

Der Cluster nanodiag BW wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „Cluster4Future“ gefördert.