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Boris Mizaikoff und Christine Kranz - auf dem Weg zu einer systematischen Analytik

Die Chemiker Boris Mizaikoff und Christine Kranz haben außergewöhnlich viele Gemeinsamkeiten: sie sind verheiratet, haben gemeinsame Kinder, sind nicht nur an derselben Universität angestellt, sondern kombinieren am Lehrstuhl für Analytische und Bioanalytische Chemie der Universität Ulm Technologien und Methoden gemeinsam zu „multifunktionellen analytischen Plattformen“.

Das Ziel des Forscherduos ist es, verschiedene Technologien so zu gruppieren, dass man analog zur Systembiologie einen Ansatz zur systematischen Analytik erhält. Dieser Ansatz scheint in den Naturwissenschaften jedoch noch nicht sehr etabliert. Zwar gibt es sehr viele Analysemethoden - invasive oder nichtinvasive - für biologische Proben, aber diese werden in der Regel nacheinander eingesetzt, nicht gleichzeitig.

Auch in der Forschung ergänzt sich das Ehepaar

Typischer Karriereknick durch die Familie

Christine Kranz entwickelte während ihrer Doktorarbeit am Lehrstuhl für allgemeine Chemie und Biochemie der TU München, einer der führenden Forschungsgruppen zur Entwicklung von amperometrischen Biosensoren, ein elektrochemisches Rastersondenmikroskop. Das Forschungsstipendium der DFG für die USA nach ihrer Promotion tritt Kranz, mittlerweile mit Zwillingen schwanger, nicht an. Ihr Mann Boris Mizaikoff wechselt alleine in die USA – der „typische Karriereknick durch die Familie“ (Kranz).

Interkontinentale Zusammenarbeit

Mikroskopische Aufnahme des Glomus caroticum mit amperometrischem ATP Mikrobiosensor.
Amperometrischer ATP Mikrobiosensor basierend auf einer Dual-Elektrode zur Messung von ATP an Lebendpräparaten des glomus caroticum. (© Mizaikoff/Kranz, Kooperation: Dr. E. Gauda, Johns Hopkins Hospital, Baltimore)
Nach eineinhalbjähriger Familienpause wechselt Kranz als Postdoc an die TU Wien in eine Forschergruppe, die sich mit der Rasterkraftmikroskopie beschäftigt. Dort integriert sie erfolgreich die Rasterkraft- und die elektrochemische Mikroskopie und meldet einige Patente an. Zu dieser Zeit intensiviert sich auch die wissenschaftliche Zusammenarbeit mit ihrem Mann. Mit dem Angebot des Georgia Institute of Technology gelingt es beiden, Familie und Arbeit unter einen Hut zu bringen.

Im College of Science an der Georgia Tech, eigentlich einer klassischen Ingenieursschule, etablieren Mizaikoff und Kranz das Applied Sensors Laboratory (ASL) an der School of Chemistry and Biochemistry. In den folgenden acht Jahren orientiert sich ihr Forschungsschwerpunkt zunehmend an komplexen lebenswissenschaftlichen Fragestellungen mit Schwerpunkten in der Biologie und Physiologie, die nicht nur in den USA sondern auch global immer wichtiger werden. In Atlanta entwickeln beide neue analytische Methoden, die sie in Zusammenarbeit mit externen medizinischen Partnern und größtenteils gefördert von den nationalen Gesundheitsbehörden vorantreiben.

Gemeinsamer Wechsel nach Ulm

Seit Juni 2008 setzen beide an der Ulmer Universität, wo der Analytik-Lehrstuhl neu zu besetzen war, ihre gemeinsame Arbeit fort, die in den lebenswissenschaftlichen Forschungsschwerpunkt integriert werden soll - Mizaikoff als Ordinarius, Kranz als wissenschaftliche Mitarbeiterin.

Kombitechnologie eignet sich gut für Lebenswissenschaften

Kombination aus scanning electrochemical microscopy (SECM) und atomic force microscopy (AFM) durch Integration von Mikro- und Nanoelektroden in Rasterkraftmikroskopiespitzen. Das Schema zeigt den Querschnitt durch eine kombinierte AFM-SECM Spitze (nicht maßstabsgetreu) mit einem integrierten amperometrischen Glucosesensor (das Enzym Glucoseoxidase wurde an der integrierten Nanoelektrode immobilisiert) zur lokalisierten Detektion von Glucose. Die gleichzeitig erhaltene topographische (links oben) und elektrochemische (rechts oben) Information ist symbolisch dargestellt.
Kombination aus scanning electrochemical microscopy (SECM) und atomic force microscopy (AFM) durch Integration von Mikro- und Nanoelektroden in Rasterkraftmikroskopiespitzen. Das Schema zeigt den Querschnitt durch eine kombinierte AFM-SECM Spitze (nicht maßstabsgetreu) mit einem integrierten amperometrischen Glucosesensor (das Enzym Glucoseoxidase wurde an der integrierten Nanoelektrode immobilisiert) zur lokalisierten Detektion von Glucose. Die gleichzeitig erhaltene topographische (links oben) und elektrochemische (rechts oben) Information ist symbolisch dargestellt. (© Mizaikoff/Kranz)
Die neuartige Kombination von Rasterkraft- mit elektrochemischer Mikroskopie vereint die topografische Untersuchung mit der Messung von Elektroaktivität und eignet sich nach Kranz’ Worten besonders für lebenswissenschaftliche Anwendungen, weil viele Biomoleküle redox-aktiv seien. Doch auch für Korrosionsforschung, zur Untersuchung (polymer)beschichteter Oberflächen, oder zur Analyse fundamentaler Prozesse in der Entwicklung von Brennstoffzellen komme diese kombinierte Technologie in Frage.

Komplementäre Forschung

Komplementär zur Arbeit von Christine Kranz verhält sich Mizaikoffs Spezialgebiet, die optische Spektroskopie und Sensorik. In den letzten 15 Jahren arbeitet er daran, die klassische Schwingungsspektroskopie von relativ großen Laborgeräten zu vergleichsweise kompakten Sensorikplattformen zu miniaturisieren. Ihr Vorteil liege darin, dass sie auf direktem Wege optische Eigenschaften von Molekülen im relativ langwelligen Spektralbereich (mittleres Infrarot; 3-20 µm) beprobt. Hier beginnen Moleküle zu schwingen und zu rotieren, was jedem (Bio)molekül eine molekularspezifische Abfolge von Schwingungsbanden verleiht und dieses identifiziert und quantifiziert.

Miniaturisierung für biologische Proben

Bisher eignete sich diese Methodik für eher größere Probenvolumina in der Gas- wie auch Flüssigphase, weil man dafür relativ große IR-Spektrometer einsetzte. Das Forscherduo versucht diese Technologie nun für den Einsatz an volumen- und flächenmäßig kleineren biologischen Proben (in vitro wie in vivo als Katheder) anzupassen. Zusammen mit medizinischen Partnern ist geplant, diese miniaturisierte Technologie unter anderem auch zur Atemgas-Analytik einzusetzen.

Plattform soll mit Optik und Spektroskopie erweitert werden

Symbolische Darstellung einer systemanalytischen Kombinationsplattform, die synchronisierte topographische, elektrochemische, und spektrokopische Information an biologischen Systemen liefert. (Foto: Mizaikoff/Kranz)
Symbolische Darstellung einer systemanalytischen Kombinationsplattform, die synchronisierte topographische, elektrochemische, und spektrokopische Information an biologischen Systemen liefert. (© Mizaikoff/Kranz)
In den letzten Jahren ist ihre „multifunktionelle analytische Plattform“ zusammengewachsen. Die Kombination von Rasterkraftmikroskopie und Elektrochemie, die einem chemische und topografische Parameter gleichzeitig (und nicht sequenziell) verschafft, soll jetzt noch zusätzlich mit Optik und Spektroskopie verbunden werden. Der Vorteil dieses „Kombipacks“: Drei verschiedene oder multiple Parameter lassen sich zeit- und ortskorreliert messen, was sie für den Einsatz in sich ständig verändernden, dynamischen biologischen Systemen prädestiniert.

Diese Kombinationstechnologien so weiter zu entwickeln, dass sie für den Zellphysiologen, den klinischen und medizinischen Forscher vielleicht sogar in der direkten Anwendung, für die medizinische Analytik einsetzbar sind, wird die Forschung von Kranz und Mizaikoff die nächsten 15 Jahre oder auch länger antreiben.

Multiparametrische Messung macht Moleküle direkt zugänglich

Bereits heute lassen sich damit Fragestellungen bearbeiten, bei denen krankheitsbedingte molekulare Veränderungen an Zellen oder Gewebesystemen direkt mit Orts- und Zeitauflösung detektiert werden sollen. In den meisten Fällen geschieht dies zur Zeit nach Mizaikoffs Worten mit konfokaler Fluoreszenzmikroskopie, wozu aber meistens die zu detektierende Spezies oder das Molekül einen optischen Marker benötige. Mit ihrer multiparametrischen Messung hoffen Kranz und Mizaikoff Moleküle und die dazugehörigen Vorgänge direkt zugänglich zu machen.

Wie klein kann ein Biosensor sein?

Die eine Hälfte des Forscherehepaars, die 47-jährige Christine Kranz. (Foto: Pytlik)
Die eine Hälfte des Forscherehepaars, die 47-jährige Christine Kranz. (Foto: Pytlik) 
Der momentan kleinste erfassbare Messpunkt liegt nach Kranz’ Worten mit ungefähr 100 nm schon in subzellulärer Dimension, womit man lateral aufgelöst an einer Einzelzelle messen könne. Ihre Kombinationstechnologie lässt sich aber ebenso auf größere Dimensionen wie Zellensembles oder Gewebeteile ausweiten. Ihre vielfach grundlagenorientierte Forschung testet jetzt die Grenzen nach unten aus: Wie klein kann ein Biosensor sein, um noch verlässlich geringe Konzentrationen von Molekülen zu erfassen? Diese weitere Miniaturisierung wird bis zum Routineeinsatz noch einige Jahre Zeit beanspruchen. Vorstellen können sich die beiden Forscher jedoch, dass ihre Technologieplattform in den nächsten Jahren kommerziell erhältlich sein wird. Damit wäre für Kliniker und Forscher ein analytisches Instrument zur Hand, das diese mit ihren eigenen Modifikationen beispielsweise an den Elektroden oder an integrierten Lichtwellenleitern anpassen könnten.

Die Dreifach-Kombination von Rasterkraft- mit elektrochemischer Mikroskopie und IR-Spektroskopie versuchen beide Chemiker gerade umzusetzen. Die kombinierte rasterkraft-elektrochemische Mikroskopie existiert erst seit 2000, momentan beschäftigen sich mit dieser fünf, sechs Gruppen weltweit, sagen Mizaikoff und Kranz.

Komplexe biologische Systeme messtechnisch besser erfassen

Anwendungspotenzial für Pharma-Industrie

Ihr systemanalytischer Ansatz lässt sich auch in der pharmazeutischen Industrie, bei der Arzneimittelentwicklung oder dem Wirkstoff-Screening anwenden, weil sich mit diesem Methodenverbund die Interaktion von Zielmolekülen mit Zellen lokalisiert an der Oberfläche studieren lässt.

Den in den USA praktizierten interdisziplinären Ansatz – die Verbindung aus Naturwissenschaften, Ingenieurswesen, und Medizin bzw. Biologie, wollen Kranz und Mizaikoff auch in Ulm forcieren. Besondere Hoffnungen setzen sie in die Zusammenarbeit mit der medizinischen Forschung vor Ort. Doch längst hat das Forscherehepaar seine Fühler ausgestreckt mit weiteren akademischen Partnern auf dem Campus, selbst mit der regionalen Wirtschaft kooperieren beide inzwischen.

Die Nanomedizin an der Ulmer Uni etablieren

In den nächsten fünf Jahren wollen beide daran arbeiten, die Nanomedizin an der Universität Ulm zu etablieren und interdisziplinäre Vorhaben mit Medizin, Naturwissenschaft und Ingenieurswesen voranzutreiben. Daneben wollen sich beide Forscher auch weiterhin exotischen Themen wie beispielsweise der Analytik in der Tiefsee widmen. Offen und flexibel wie beide Forscher sich geben, können sich beide auch Kooperationen mit dem technologiestarken Mittelstand im „Ländle“ vorstellen.

Einstweilen soll ihre Arbeitsgruppe auf etwa 20 Mitglieder anwachsen, die aus zwei interdisziplinären Teams pro Forschungsbereich bestehen soll. Durch glückliche Umstände vor Ort hat sich auch für die Forscherfamilie das Kinderbetreuungsproblem gelöst. Mizaikoff und Kranz wissen jedoch, dass sich Forschung und Familie in Deutschland längst noch nicht so einfach unter einen Hut bringen lassen wie in ihrem speziellen Fall.

Walter Pytlik - 11.11.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Ein Beitrag von:
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01.11.2008

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