nanodiagBW – Projekt P2

Nanoporen sind Kanäle mit molekularen Dimensionen. In Biosensoren eingesetzt, können mit ihrer Hilfe einzelne Moleküle charakterisiert und unterschieden werden. Der Zukunftscluster nanodiagBW nutzt diese Technologie, um Proteine zu analysieren, die im Zusammenhang mit Krankheiten wie Diabetes, Alzheimer oder Krebs stehen.

Das Teilprojekt P2, „Festkörpernanoporen-Analysator“, verbindet Materialwissenschaft, MEMS (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme), CMOS-Technologie, Nanostrukturierungsverfahren, Funktionalisierung technischer Oberflächen, Modellierung und Simulation, Methoden des maschinellen Lernens („AI“) mit innovativer Mikroelektronik und Mikrofluidik. Das übergeordnete Ziel ist die Etablierung von Festkörper-Nanoporen. Voraussetzung ist die industrielle Herstellbarkeit, um robuste und flexible Einzelmolekülsensoren zu erreichen. Damit wird erstmals die technologische Grundlage für praktische Point-of-Care-Diagnoseanwendungen unter Verwendung dieser Nanoporen der nächsten Generation geschaffen.

Diese neue Technologie basiert auf der Messung winziger Ionenströme (~10 nA) durch einzelne, technisch hergestellte Nanoporen in Festkörpermembranen. Beim Eintritt in die Pore blockieren Biomoleküle, z. B. DNA oder Peptide, diesen Strom teilweise. Die Mikroelektronik ermöglicht die Messung der resultierenden Strommodulation und liefert Informationen über Art, Sequenz oder Modifikation dieser Biomoleküle. Bislang wurden keine Anwendungen von Festkörper-Nanoporen für den Nachweis und die Sequenzierung von DNA und RNA oder für die Charakterisierung von Proteinen kommerziell realisiert. Die Vorteile von Festkörper-Nanoporen, wie Robustheit, Flexibilität, Skalierbarkeit und Integration, werden noch immer durch ungelöste Probleme bei Konzept, Design, Herstellung und Funktionalisierung behindert. Dieses Projekt zielt darauf ab, die entsprechenden Probleme zu lösen.

Das Projekt verfolgt mindestens zwei mögliche Ansätze: biomimetische Festkörper-Nanoporen werden analog zu biologischen Nanoporen konstruiert, während ein disruptiver Ansatz die Realisierung lateraler Nanokanäle vorsieht. Die laterale Lösung entkoppelt die elektrostatische Anziehungskraft von DNA und RNA durch leitende Nanokanäle von der Detektion basenspezifischer Ströme zwischen Nanogap-Elektroden. Sowohl laterale Nanokanäle als auch integrierte Nanogap-Elektroden sind die technologischen Herausforderungen hinter diesen neuartigen Geräten.

Weitere Informationen auf der Cluster-Website: 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.