Argovia-Projekte 2018

Projekt Projekt-Leiter Mitarbeiter
 
13.01 NANOCREATE – NANOCatalyst etching and laser machining for grating interferometry based breast ct sysem Dr. Konstantins Jefimovs (PSI) Prof. Dr. Lucia Romano (PSI & ETHZ)
Prof. Dr. Ronald Holtz (FHNW Windisch)
Dr. Bojan Resan (FHNW Windisch)
Dr. Martin Stauber (GratXray AG, Villigen)
Dr. Zhentian Wang (GratXray AG, Villigen)
13.04 ecamist – Efficient capturing of mRNA for single-cell transcriptomics  Prof. Dr. Georg Lipps (FHNW Muttenz) Dr. Martin Held (ETHZ Basel, D-BSSE)
Dr. Simone Schmitt (Memo Therapeutics AG, Basel)
13.08 MEGAnanoPower – Disruptive power storage technology applying electrolyte nano dispersions and micro/ nano structured electrodes  Prof. Dr. Uwe Pieles (FHNW Muttenz) Dr. Sören Fricke (CSEM Muttenz)
Andreas Schimanski (Aigys AG, Rheinfelden)
13.09 NanoCoat – Biomimetic growth of calcium phosphates ceramics on Ti implants   Dr. Andrea Testino (PSI) Dr. Elisabeth Müller (PSI)
Prof. Dr. Michael de Wild (FNHW Muttenz)
Philipp Gruner (Medicoat AG, Mägenwil)
Dr. Jan Moens (Medicoat AG, Mägenwil)
Dr. Walter Moser (Atesos Medical AG, Aarau)
Dr.-Ing. Burkhard Höchst (Hager & Meisinger GmbH, Neuss)
13.12 NanoGhip – Nano-switchable GPCR–arrestin biochip for drug discovery   Dr. Martin K. Ostermaier (InterAx Biotech AG, Villigen) Prof. Gebhard F.X. Schertler (PSI)
Prof. Dr. Cornelia Palivan (Dept. of Chemistry, University of Basel)
Prof. Dr. Roderick Y.H. Lim (Biozentrum, University of Basel)
13.13 NanoTough  – Self-assembled block copolymers for nanoscale toughening of structural composite materials Prof. Dr. Clemens Dransfeld (FHNW Windisch) Prof. Dr. Wolfgang Meier (Dept. of Chemistry, University of Basel)
Dr. Alessandro Napoli (Huntsman, Basel)
13.15 NQsense – Nanophotonics for quantum sensing technology  Prof. Dr. Patrick Maletinsky (Dept. of Physics, University of Basel) Dr. Christian David (PSI)
Dr. Gediminas Seniutinas (PSI)
Dr. Felipe Favaro (Dept. of Physics, University of Basel & QNAMI)
Dr. Mathieu Munsch (QNAMI)

Mit Gittern zum besseren Kontrast – Das Nano-Argovia-Projekt «NANOCREATE» unterstützt die Optimierung aussagekräftiger Abbildungen

Im Nano-Argovia-Projekt «NANOCREATE» werden wichtige Komponenten entwickelt für die nächste Generation von Röntgengeräten in der medizinischen Diagnostik. (Abbildung: PSI und GratXray)

Im Nano-Argovia-Projekt «NANOCREATE» entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts (PSI) in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) und der Firma GratXray AG (Villigen, AG) eine kostengünstige Fabrikationsmethode für optische Röntgen-Gitter. Die Gitter werden in einem von GratXray entwickelten Computertomografen verwendet, der eine hochaufgelöste, kontrastreiche Abbildung von kontrastarmem Gewebe wie weibliches Brustgewebe ermöglicht.

Entscheidende Vorteile
Beim klassischen Röntgen werden Kontraste zwischen verschiedenen Geweben besser mit abnehmender Energie der Röntgenstrahlen. Je niedriger die Energie der Röntgenstrahlen, desto höher ist jedoch die Dosis an Strahlen, der die Patienten ausgesetzt werden müssen. Der Einsatz des klassischen Röntgens wird aus diesem Grund durch die erreichbaren Kontraste limitiert. Teilweise lässt sich diese Einschränkung durch die Gitter-Interferometrie aufheben, da nicht nur die Absorption der Röntgenstrahlen gemessen wird, sondern zudem auch die Brechung und Streuung der Röntgenstrahlen zur Erstellung des Bildes herangezogen werden kann. Diese zusätzlichen Signale sind in Weichteilgewebe deutlich stärker und erlauben daher eine signifikante Verbesserung des Kontrasts unter kontrollierter Strahlendosis. Integriert in spezielle Brust-Computertomografen erlaubt diese Technik, dreidimensionale Bilder von bisher nicht erreichter Qualität zu liefern und kann damit zu einer genaueren Brustkrebsdiagnose führen.

Neue Fabrikationsmethode
Die Gitter-Interferometrie für die medizinische Diagnostik wurde in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt. Allerdings bleiben die hohen Produktionskosten der speziellen Gitter ein limitierender Faktor für die breite Anwendung der Technik. Das Team im Nano-Argovia-Projekt «NANOCREATE» unter Leitung von Dr. Konstantins Jefimovs (PSI) konzentriert sich daher auf die Entwicklung einer alternativen Fabrikationsmethode von Gittern und auf geringere Fabrikationskosten, sodass die Gitter mit grösseren Flächen und in grösserem Massstab produziert werden können.

Die Wissenschaftler am PSI entwickeln dazu eine Methode, die auf metall-unterstütztem chemischen Ätzen basiert, um zu niedrigeren Kosten Siliziumstrukturen mit einem hohem Bildseitenverhältnis und mit grösserer Fläche herzustellen. Diese Strukturen, die Röntgenstrahlen wenig absorbieren, werden dann mit Gold gefüllt, das Röntgenstrahlen stark absorbiert. Die Forschenden produzieren und testen die Leistung der so hergestellten Gitter mit einem Labor-Computertomographen-System. Auf der anderen Seite untersucht das Team an der FHNW die Laserablation als alternative Methode, um die Gitter direkt aus einer Metallfolie herzustellen. Neben dem Projektleiter Dr. Konstantins Jefimovs (PSI) sind Prof. Lucia Romano (PSI), Prof. Ronald Holtz (FHNW), Dr. Bojan Resan (FHNW) sowie Dr. Martin Stauber und Dr. Zhentian Wang (beide GratXray AG) an dem Projekt beteiligt.

«Das Nano-Argovia-Projekt «NANOCREATE» wird uns in unseren Bemühungen helfen, die Gitter-Interferometrie für einen grossen Einsatzbereich zur Verfügung zu stellen», bemerkt Dr. Martin Stauber von GratXray, einem Spin-off des PSI.

 

Die Boten-RNA im Visier – Das Nano-Argovia-Projekt «ecamist» zielt auf eine verbesserte Einzellzellanalyse

Zellen werden in einzelnen Droplets einer Wasser in Öl
Emulsion vereinzelt. Anschliessend werden die Zellen
lysiert und die freigesetzte Boten-RNA gereinigt (Bild:
Georg Lipps, FHNW)

Das Nano-Argovia-Projekt «ecamist» hat zum Ziel, eine effektive Methode zu entwickeln, mit der sich Boten-RNA aus einzelnen Zellen aufarbeiten lässt. Das Team mit Wissenschaftlern von der Hochschule für Life Sciences der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW), dem Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel (D-BSSE) und der Firma Memo Therapeutics AG (Basel) möchte gegenüber bisherigen Methoden die Ausbeute und Qualität isolierter Boten-RNA verbessern. Die Information über die in einer Zelle vorhandene Boten-RNA erlaubt unter anderem Rückschlüsse auf die Entstehung von Krankheiten oder ist wichtig für die Untersuchung von Zelllinien, die beispielsweise zur Antikörper-Produktion eingesetzt werden.

Analyse der einzelnen Zellen
Um zu bestimmen, welche Gene in Zellen aktiv sind, wird heutzutage oft die Boten-RNA (mRNA von messenger RNA) analysiert. Die mRNA dient in der Zelle als Mittler zwischen der auf der DNA gespeicherten Erbinformation und der ribosomalen RNA, die für die Synthese der Proteine in den Ribosomen einer Zelle benötigt wird. Für verschiedene Fragestellungen gehen Wissenschaftler heute immer öfter dazu über, die mRNA in einzelnen Zellen zu untersuchen und nicht die Mischung einer ganzen Zellkultur zu analysieren. Gerade wenn es darum geht, die Entstehung von Krankheiten zu verstehen, bietet sich die Einzelzellanalyse an, da fehlerhafte Prozesse oft in einzelnen Zellen beginnen.

An kleine Kügelchen gebunden
In dem Nano-Argovia-Projekt «ecamist» entwickelt das Team unter Leitung von Professor Georg Lipps von der FHNW eine neue Methode, mit der die Aufarbeitung von mRNA aus einzelnen Zellen effektiver gelingen soll. Bevor die mRNA einer Zelle untersucht werden kann, muss sie zunächst von dem Zelllysat getrennt und konserviert werden. Bislang werden dazu winzige Kügelchen (Microbeads) verwendet, die mit einem kurzen DNA-Abschnitt versehen sind, an den die zu trennende mRNA aus dem Lysat binden. Diese als Hybridisierung bezeichnete Bindung beruht auf rein physikalischen Prozessen. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen hybridisierten und freien Bindungsstellen an den Mikrobeads ein. Im Lysat befinden sich jedoch auch immer freie mRNA-Abschnitte, welche die Probe in den nachfolgenden Schritten verunreinigen.

Auswahl des Enzyms ist entscheidend
Die Forscher um Prof. Georg Lipps und Dr. Martin Held vom D-BSSE wollen daher die hybridisierten mRNAAbschnitte durch eine kovalente, thermisch stabilere Bindung auf der Oberfläche der Mikrobeads immobilisieren. Sie erhoffen sich dadurch eine grössere Ausbeute an gebundener m-RNA an den Mikrobeads sowie geringere Verunreinigungen und damit eine qualitativ hochwertigere mRNA-Ausbeute. Kritisch bei dem Projekt ist dabei, ein geeignetes Enzym auszuwählen, dass die kovalente Bindung an die Mikrobeads katalysiert und auch unter hohen Salz- und Detergenzkonzentrationen zuverlässig arbeitet, da diese für die Lyse der Zelle erforderlich sind.
«Für Memo Therapeutics ist das Nano-Argovia-Projekt eine gute Möglichkeit, um die Einzelzellanalytik um weitere Protokolle zu erweitern und damit die Aktivitäten in der Antikörperentwicklung weiter auszubauen“, bemerkt Dr. Simone Schmitt, Senior Scientist bei Memo Therapeutics und Industriepartner im Nano-ArgoviaProjekt «ecamist».

 

Keramische Überzüge von Knochenimplantaten – Im Nano-Argovia-Projekt «NanoCoat» wird ein kostengünstiger Prozess entwickelt

Das Team im Nano-Argovia-Projekt «Nanocoat» entwickelt
eine neue, alternative Methode für die Beschichtung
von Implantaten, bei der auf dem Implantat eine
Calciumphosphatschicht wächst.
(Bild: PSI und Meisinger)

Ein interdisziplinäres Team des Paul Scherrer Instituts und der Fachhochschule Nordwestschweiz arbeitet im Nano-Argovia-Projekt «NanoCoat» mit drei Industriepartnern zusammen. Die Forscher entwickeln ein Protokoll, um Titanimplantate mit einem keramischen Calciumphosphat-Überzug auszustatten. Dieser soll die Integration des Implantats in den neu wachsenden Knochen erleichtern und damit eine bessere Stabilität des Implantats sicherstellen.

Integration in den Knochen ist notwendig
Mit der Entwicklung neuer Technologien, grösserem Wohlstand und einer immer älter werdenden Bevölkerung steigt der Bedarf an Knochenimplantaten kontinuierlich. Ein Grossteil dieser Implantate besteht aus metallischen Werkstoffen. Vor allem Titan hat sich aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften und der optimalen biologischen Verträglichkeit durchgesetzt und wird häufig in der Zahnmedizin, in der plastischen Chirurgie und Orthopädie eingesetzt. Um eine dauerhafte Verbindung des Titanimplantats mit dem Knochen zu garantieren, müssen sich knochenbildende Zellen (Osteoblasten) auf der Titanoberfläche ansiedeln können. Sie bilden neue Knochenzellen und das Implantat wird nach und nach in den Knochen integriert. Um die Knochenbildung auf der Oberfläche zu unterstützen und das Einwachsen in den Knochen zu fördern, wurden in der Vergangenheit verschiedene Methoden entwickelt. Die Beschichtung mit Hydroxylapatit hat sich dabei als vielversprechende Methode erwiesen. Hydroxylapatit ist eine Calciumphosphat-Verbindung und Hauptbestandteil des Knochens. Am Markt für orthopädische Implantate hat sich das Plasmaspritzverfahren als Beschichtungsprozess durchgesetzt.

Energiesparende Methode wird entwickelt
Im Nano-Argovia-Projekt «NanoCoat» untersucht nun ein Wissenschaftlerteam unter Leitung von Dr. Andrea Testino vom Paul Scherrer Institut eine kostengünstigere, energieeffizientere Methode, um Titanoberflächen mit Calciumphosphaten zu beschichten. Zum Team gehören neben Dr. Andrea Testino Dr. Elisabeth Müller (PSI), Prof. Dr. Michael de Wild (FHNW) sowie die Industriepartner Dipl. Ing. Philipp Gruner (Medicoat AG, Mägenwil), Dr. Burkard Höchst (Hager & Meisinger GmbH, Neuss, Deutschland) und Dr. Walter Moser (Atesos Medical AG, Aarau).

Die Forscher verändern in einem ersten Schritt durch chemische und thermische Behandlung die glatte Titanoberfläche, sodass diese rau und porös wird. Für die darauffolgende Beschichtung wird das Implantat in einem Beschichtungsreaktor platziert. In diesen wird eine definierte Lösung mit Calciumphosphat-Vorstufen gegossen. Die Forscher konnten belegen, dass unter kontrollierten Bedingungen die Calciumphosphatschicht wächst – sowohl auf dem Implantat wie auch in einer unter der Oberfläche liegenden porösen Schicht. Somit wird das Titanimplantat mit einer Schicht synthetischer Knochensubstanz überzogen.

«Wir sind optimistisch, dass wir in diesem Nano-Argovia-Projekt eine neue, alternative und kostengünstige Methode entwickeln können für die Beschichtung von Implantaten zur Integration in die natürliche Knochensubstanz. Wir hoffen uns damit neue Marktfelder zu erschliessen, für welche unser Plasmaspritzverfahren nicht geeignet ist», bemerkt Philipp Gruner, einer der drei Industriepartner im Projekt «NanoCoat».

 

Nanopartikel für Mega Power – Im Projekt «MEGAnanoPower» soll ein innovativer Energiespeicher optimiert werden

Wissenschaftler von der Hochschule für Life Sciences (FHNW), dem CSEM in Muttenz sowie des Industriepartners Aigys AG (Othmarsingen, AG) streben im Nano-Argovia-Projekt «MEGAnanoPower» an, die von der Firma Aigys erfundene PowerCell® noch weiter zu entwickeln. Unter Verwendung von umweltfreundlichen Materialien hoffen die Forscher einen umweltverträglichen und günstigen Energiespeicher für Grossanwendungen zu optimieren.

Neue Speichermedien benötigt
Erneuerbare Energien wie Wind- und Sonnenenergie nehmen eine immer wichtigere Rolle in der Energieversorgung ein. Mit dem zunehmenden Ausbau dieser Energiequellen werden neue Speichermedien benötigt, die zum einen Spitzen bei der Energieproduktion abfangen, zum anderen schnell Energie zur Verfügung stellen können, wenn über längere Zeiträume der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint.
Bislang wurden als Speichermedium vor allem LithiumIonen-Akkus untersucht. Im Projekt «MEGAnanoPower» steht jedoch eine Flusszellbatterie im Vordergrund, da Lithium-Ionen-Akkus einige entscheidende Nachteile aufweisen. Die Firma Aigys AG ist seit ihrer Gründung 2011 aktiv an der Suche nach Alternativen beteiligt und hat sich eine besondere Flusszellbatterie, PowerCell® genannt, patentieren lassen. Die Projektpartner Prof. Dr. Uwe Pieles von der Hochschule für Life Sciences (FHNW), Dr. Sören Fricke vom CSEM in Muttenz und Dipl.-Ing. Andreas Schimanski, CEO von Aigys, untersuchen verschiedenen Ansätze, um diese noch weiter zu optimieren.

Elektrochemische Reaktion liefert Energie
Wie in einer konventionellen Flusszellbatterie wird bei der PowerCell® elektrische Energie in Form von chemischen Verbindungen gespeichert, die sich in zwei getrennten Kreisläufen befinden. In dem einen Kreislauf befinden sich Ionen, die eine hohe Elektronegativität besitzen und daher leicht Elektronen aufnehmen (z.B. Zn2+). In einem zweiten, davon getrennten Kreislauf befinden sich Ionen mit einer geringeren Elektronegativität, die leicht Elektronen abgeben (z.B. Cer3+). Über eine Membran erfolgt dann ein Ionenaustausch zwischen den beiden Kreisläufen. Es kommt zur Elektronenabgabe auf der einen Seite und zur Elektronenaufnahme auf der anderen Seite der Membran. Bei diesen Oxidationen bzw. Reduktionen wird elektrische Energie frei. Bei der PowerCell® sind die Ladungsträger nicht gelöst wie bei einer konventionellen Flusszellbatterie, sondern werden mittels Hochdrucktechnologie in kleinen Kugeln von einigen Mikrometer Durchmesser in den Elektrolyten fein dispergiert.

«MEGAnanoPower» soll Speicherkapazität erhöhen
Die kleinen Partikel in der Dispersion müssen über einen längeren Zeitraum stabilisiert werden und auch eine grössere Ladungsdichte muss erreicht werden. «Wir wollen die Partikelgrösse der festen Elektrolyte reduzieren, um eine grössere Energiedichte zu erreichen», berichtet Andreas Schimanski von Aigys über die Projektziele. «Um das Potenzial unserer PowerCell® voll ausschöpfen zu können, setzen wir auf das Know-how des interdisziplinären Teams im Nano-Argovia-Projekt MEGAnanoPower.»
Insgesamt soll der Gehalt an festen Elektrolyten erhöht werden, um damit die Speicherkapazität zu vergrössern. Die Forscher untersuchen ebenfalls wie sich die Elektroden verbessern lassen und wie die Membran auf Nanopartikel zugeschnitten sein muss, um die Effizienz der elektrochemischen Reaktion zu erhöhen. Bei allen Modifikationen achtet das interdisziplinäre Team darauf, dass häufig anzutreffende, umweltfreundliche Materialien und Verbindungen verwendet werden, die wirklich nachhaltig das Problem der Energiespeicherung lösen und keine Probleme im industriellen Betrieb verursachen.

 

Leicht und stabil – Im Nano-Argovia-Projekt «NanoTough» werden neue Methoden untersucht, um Verbundmaterialien zäher zu machen

«Durch die Beteiligung an dem Nano-Argovia-Projekt «NanoTough» erweitern wir unser Wissen über neue Verbundmaterialien und hoffen, unsere führende Stellung in diesem Bereich weiter ausbauen zu können», kommentiert Dr. Alessandro Napoli, Global Technology Manager bei Huntsman die Beteiligung an dem Nano-Argovia-Projek (Bild: Huntsman Advanced Materials GmbH).

Im Nano-Argovia-Projekt «NanoTough» untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW), der Universität Basel sowie der Firma Huntsman Advanced Materials GmbH (Basel) den Einsatz von Blockcopolymeren in Verbundmaterialien. Die Untersuchung zielt darauf, Verbundmaterialien zäher zu machen, ihre Verarbeitbarkeit dabei jedoch nicht einzuschränken.

Verbesserung gewünscht
Kunststoffe, die durch Kohlenstofffasern verstärkt sind (Faserverbundmaterialien) zeichnen sich durch ausserordentliche mechanische Eigenschaften verbunden mit geringem Gewicht aus. Sie werden vor allem beim Bau von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen eingesetzt, spielen aber auch bei der Herstellung von Windturbinen eine immer grösser werdende Rolle. Ihr Einsatzbereich liesse sich noch erweitern, wenn die Materialien weniger spröde wären und sich ihre Zähigkeit erhöhen liesse. Dies wird schon heute durch die Zugabe von thermoplastischen Pulvern erreicht. Deren Einsatz erhöht jedoch die Viskosität und erschwert damit die Verarbeitung.

Blockcopolymere als Zusatz
Die Wissenschaftler-Teams im Nano-Argovia-Projekt «NanoTough» untersuchen nun zunächst die Synthese verschiedener Blockcopolymere, die sie später einem als Matrix dienenden Epoxidharz zusetzen. Blockcopolymere sind Polymere, die sich aus mindestens zwei verschiedenen Monomeren aufbauen, wobei die einzelnen Moleküle eines Monomers zu langen Ketten verknüpft sind, die die einzelnen Blöcke (z.B. AAAAABBBBB) bilden. Die Gruppe von Professor Wolfgang Meier vom Departement Chemie der Universität Basel synthetisiert zunächst verschiedene Blockcopolymere (BCP) unterschiedlicher Zusammensetzung und Masse und untersucht die Auswirkung auf die Morphologie der entstehenden Nanostrukturen. Die Forschenden versuchen zudem durch die Wahl der Lösungsmittel und Temperaturen Bedingungen zu simulieren, wie sie im Epoxidharzsystem herrschen.

Unter den synthetisierten und charakterisierten BCPs werden geeignete Kandidaten ausgewählt und vom Team der Projektleiterin Dr. Sonja Neuhaus und Professor Clemens Dransfeld (Hochschule für Technik in Windisch, FHNW) in einem Epoxidharzsystem getestet. Dabei spielen sowohl die Bedingungen bei der Aushärtung als auch die Morphologie der Blockcopolymere in komplett ausgehärteten Proben eine wichtige Rolle. Später wird ein thermoplastisches Material zugefügt und die morphologischen Eigenschaften des neuen Verbundwerkstoffes werden untersucht. Der Firmenpartner Huntsman charakterisiert zusammen mit dem FHNW-Team abschliessend die mechanischen Eigenschaften der Proben und vergleicht diese mit den führenden Materialien auf dem Markt. Experimente, welche die Brucheigenschaften testen und die Bestimmung der Glasübergangstemperatur unter verschiedenen Bedingungen sind dabei entscheidend.


Mit Biosensoren winzige Veränderungen erkennen – Im Nano-Argovia-Projekt NanoGhip wird der Prototyp eines Biochips für das Medikamentenscreening entwickelt

Auf einem Chip von etwa 10 x 10 mm (goldenes Quadrat) befinden sich vier kleine Kanäle (Volumen jeweils 0.06 µl), in denen winzige künstliche Vesikel mit integrierten Proteinkomplexen platziert werden. Über Biosensoren wird die Wirkung verschiedener Testsubstanzen auf die Proteinkomplexe beobachtet. Die Daten geben Aufschluss über die biologischen Eigenschaften der Testsubstanzen, was letztendlich Rückschlüsse auf die Wirksamkeit und Sicherheit der untersuchten potenziellen pharmazeutischen Wirkstoffe zulässt. (Foto: InterAx Biotech/Biozentrum)

Im Nano-Argovia-Projekt NanoGhip untersucht ein interdisziplinäres Team unter Leitung von Dr. Martin Ostermaier von InterAx Biotech AG (Villigen, AG) eine neue Screening-Methode für Wirkstoffe, die zu neuen Medikamenten führen können. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zielen dabei auf die Entwicklung eines neuartigen Biochips, der die Reaktion der untersuchten chemischen und biologischen Moleküle mit Proteinkomplexen in Echtzeit untersucht und bereits Information über das Sicherheitsprofil der getesteten Verbindungen liefert.

Weiterleitung von Signalen
Membranproteine spielen eine wichtige Rolle in unseren Zellen. Sie sind elementar für das Überleben und spielen eine Rolle bei der Entstehung von Krankheiten sowie deren Therapie. Die G Protein gekoppelten (GPC) Rezeptoren sind dabei von besonderer Bedeutung. Sie leiten unter anderem Signale in das Zellinnere weiter und steuern damit eine ganze Kaskade von lebenswichtigen Reaktionen. Zahlreiche dieser GPC Rezeptoren interagieren dabei mit einer Vielzahl von Proteinen, bilden mit diesen also Proteinkomplexe.

Die Suche nach neuen Wirkstoffen, welche die GPC Rezeptoren beeinflussen, ist anspruchsvoll, da dabei nicht nur ein einziges Protein untersucht werden muss. Stattdessen gilt es ganze Proteinkomplexe ins Auge zu fassen, um den natürlichen Bedingungen in der Zelle möglichst nahe zu kommen. Diese Proteinkomplexe sind in ihrer natürlichen Umgebung in Membranen verankert. Auch bei einem Screening-Prozess ist es daher erforderlich, die Komplexe in Membrane zu integrieren.

Winzige Änderungen
Um einen Biochip zu realisieren, integrieren die Forschenden im NanoGhip-Projekt die natürlichen Proteinkomplexe in synthetische Membranen. Diese sind in ihren Eigenschaften den natürlichen Membranen sehr ähnlich, übertreffen das natürliche Vorbild jedoch in Bezug auf Robustheit. Mithilfe von Biosensoren erfassen die Forschenden strukturelle Veränderungen an den Proteinkomplexen, wenn Testsubstanzen mit dem System in Kontakt kommen. Diese winzigen Konformationsänderungen der GPC Rezeptoren bewegen sich in einem Bereich von nur 0.1 – 1.4 Nanometern. Über die auf Proteinen basierenden Biosensoren erhalten die Wissenschaftler Aufschluss darüber, ob eine Testsubstanz verhindert, dass Signale von den GPC Rezeptoren ins Innere der Zelle geleitet werden.

Im Nano-Argovia-Projekt NanoGhip arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von InterAx (einem Start-up des Paul Scherrer Instituts und der ETH Zürich), des Paul Scherrer Instituts und der Departemente Chemie und Biozentrum der Universität Basel eng zusammen und bringen ihre ganz unterschiedliche Expertise ein. «Wir haben in diesen Projekt eine einzigartige Kombination von Fachleuten vereint, die es uns ermöglicht Synergien zu nutzen und einen neuen Ansatz für das biologische Screening von Substanzen auf einem Chip zu untersuchen», fasst Projektleiter Martin Ostermaier zusammen.


Lichtausbeute verbessern – Im Nano-Argovia-Projekt NQsense wird die Empfindlichkeit von Quantensensoren für die Nanoskala optimiert

Dr. Felipe Favaro De Oliveira, CTO bei Qnami, arbeitet daran, die Ausbeute der ausgesendeteten Photonen zu erhöhen.

Im Projekt NQsense plant das Team um Projektleiter Professor Patrick Maletinsky, einen vollintegrierten Quantensensor mit deutlich verbesserter Sensitivität herzustellen. Dieser Sensor lässt sich beispielsweise einsetzen, um grundlagenwissenschaftliche Forschung in den Materialwissenschaften oder Fehleranalysen in der Halbleiterindustrie durchzuführen.

Diamanten als Sensoren
Das Team mit Wissenschaftlern des Departements Physik der Universität Basel, des Paul Scherrer Instituts und des Industriepartners Qnami – einem Start-up des Departments Physik der Universität Basel – stützt sich dabei auf winzige Quantensensoren aus Diamanten.

Im Kristallgitter der Diamanten werden dazu ganz gezielt zwei Kohlenstoffatome aus dem Gitter entfernt. Eine Position wird durch ein Stickstoffatom ersetzt, an der zweiten bleibt eine Leerstelle im Kristallgitter. In diesen Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) kreisen einzelne Elektronen, die angeregt oder manipuliert werden können. Der Eigendrehimpuls (Spin) und der elektrische Dipol dieser Elektronen sind sehr empfindlich gegenüber winzigen magnetischen und elektrischen Feldern. Wenn der Diamantsensor solchen Feldern ausgesetzt wird, ändert sich die Intensität des von den NV-Zentren ausgesendeten Lichts, was sich mit einem optischen Gerät messen lässt und eindeutige Rückschlüsse auf das beeinflussende Feld erlaubt.

Hochgesteckte Ziele
Das Team konnte in den letzten Jahren die aufwendige und anspruchsvolle Herstellung der winzigen Sensoren bereits deutlich optimieren. Jetzt erforschen die Wissenschaftler Möglichkeiten, die Sensitivität ihrer Sensoren zu erhöhen. Dies ist nicht ganz einfach, da Diamanten einen hohen Brechungsindex besitzen. Der Hauptteil des von den NV-Zentren ausgesendeten Lichts wird daher an den Aussenflächen nach innen reflektiert und steht für die Messung gar nicht zur Verfügung.

«Zurzeit können wir etwa 1-2 Prozent der ausgesendeten Photonen für unsere Messung nutzen. Innerhalb des Nano-Argovia-Projekts NQsense wollen wir nun Strukturen entwerfen und herstellen, mit denen wir die Ausbeute auf bis zu 50 Prozent steigern können», kommentiert Professor Patrick Maletinsky die anstehende Herausforderung.

«Das Nano-Argovia-Programm bietet den idealen Rahmen unser Produkt weiter zu entwickeln, da wir Synergien mit den Partnern an der Universität Basel und dem Paul Scherrer Institut nutzen und auch von der exzellenten technischen Ausstattung unserer Partner profitieren können», bemerkt Dr. Mathieu Munsch, CEO des Industriepartners Qnami.