Eine neue Nachweismethode soll einfach und sicher anzeigen, ob Wasser verunreinigt ist oder nicht. Das Forschungsteam aus Wien nutzt künstlich erstellte Enzyme, die sich mit den krankmachenden Keimen verbinden. Eine Software erleichtert das Zusammensetzen der Bausteine.
Das Team um Ivan Barisic vom Austrian Institute of Technology (AIT) baut seit Jahren immer neue Moleküle nach einem ähnlichen Schema, wie man Legosteine zusammensteckt: Aus kleinen Einheiten ergeben sich große Dinge. Doch während beim Lego der Mensch steuert, in welche Richtung das nächste Stückchen orientiert ist, haben Proteine, Enzyme und DNA-Stücke ein bisschen ihr „Eigenleben“: Erst, wenn alle Stücke dranhängen, faltet sich das große Molekül zur endgültigen 3-D-Struktur. Und dann erst hat dieses dreidimensionale Konstrukt in der Biologie eine Wirkung, die erforscht werden kann.
Vor sechs Jahren ging es dem Team der Molecular-Diagnostics-Gruppe am AIT im EU-Projekt „Mara“ darum, aus Nukleotiden, also DNA-Legostücken, mikroskopisch kleine Roboter zu erstellen, die im Körper gezielt dort andocken, wo es notwendig ist, um Bakterien oder Krebs zu bekämpfen. Nun läuft das Folgeprojekt „Marilia“, das mit knapp zwei Millionen Euro vom EU-Forschungsprogramm „Horizon 2020“ finanziert wird. Die Technik, wie selbst gebastelte Moleküle an Bakterien andocken können, wird nun verfeinert. Zugleich gehen die Forschenden in Richtung Anwendung und kommerzielle Vermarktung.
Ein großes Problem unserer Welt ist, dass immer mehr Menschen mit immer weniger sauberem Wasser auskommen müssen. Trinkwasser, das zu keinen gesundheitlichen Schäden führt, ist ein knappes Gut. Im „Marilia“-Projekt werden neue Techniken entwickelt, die schnell und einfach anzeigen, ob ein Wasser oder Getränk frei von Bakterien ist – oder nicht. „Für diese Wasserdiagnostik nutzen wir künstliche Enzyme, die wir im ,Mara-Projekt‘ entwickelt haben“, sagt Ivan Barisic, der Marilia leitet, in das auch Institute aus Kroatien und Italien involviert sind.
Die Idee ist, dass man Enzyme in das Wasser schickt, die gezielt an krankmachende Bakterien andocken können. So erhalten die Keime ein „Mascherl“, das man leicht erkennen – und trinkbares Wasser von verunreinigtem unterscheiden – kann. Die Diagnostik läuft dann zum Beispiel durch Filtrieren und Sichtbarmachen der Bakterien, die vom Enzym gefangen wurden. Oder die Substanz, die man in eine Probe des Trinkwassers gibt, ändert ihre Farbe, sobald darin Keime gefunden werden.
Diese neuartigen Nachweismethoden klappen jedenfalls schneller als bisherige Laboruntersuchungen der Wasserproben. Die Forschenden planen die Anwendung so, dass der Nachweis von Bakterien im Wasser ohne große Technikgrundlagen funktionieren kann, damit gerade in entlegenen Regionen eine simple und sichere Methode die Reinheit von Trinkwasser anzeigt.
Mit dem Computer die Moleküle basteln
Innerhalb dieser Bemühungen hat das AIT-Team nun im Journal Nucleic Acids Research eine Software veröffentlicht, die all diese Enzym-Basteleien vereinfacht. „Wenn wir im Labor ein neues Molekül konstruieren, dauert das Monate“, sagt Barisic. Die Software „Catana“ schafft das Zusammensetzen der Bausteine in wenigen Stunden und berechnet sofort, wie sich die Proteinstruktur im dreidimensionalen Raum faltet. So können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Computer zusehen, wie aus den Legostücken ein fertiges 3-D-Konstrukt wird.
Diese „Moleküldynamik“ wird von künstlicher Intelligenz unterstützt: Das Tool „AlphaFold“ sagt die 3-D-Struktur eines Proteins in zuvor unerreichter Qualität vorher – eine Methode, die vom „Science“-Journal als „Breakthrough of the year 2021“ ausgezeichnet wurde. Mit dieser Software können die Forschenden nun am Computer durchspielen, wie sich einzelne Enzyme verhalten, wenn man sie z. B. in kleinere Teile zerstückelt und anschließend über DNA-Verbindungen wieder zusammensetzt. „Wir sehen, ob sich Strukturen bilden, die wir gar nicht wollen“, sagt Barisic.
Nur die vielversprechendsten Kandidaten werden im Labor zu „Bacteria binding proteins“ zusammengefügt, also zu den Substanzen, die auf die bösen Bakterien das Mascherl binden. Wenn das klappt, gehen die Ideen für mögliche Anwendungen über die Trinkwasserdiagnose hinaus, in Richtung Landwirtschaft und Medizin.
In Zahlen
2,2Milliarden Menschen haben keinen regelmäßigen Zugang zu sauberem Wasser.
70Prozent der Erde sind mit Wasser bedeckt, doch nur drei Prozent davon sind trinkbares Süßwasser.
80.000Bakterien stecken in 1 Milliliter Trinkwasser. Sie gehören zu über 1000 verschiedenen Bakterienarten. Die meisten davon sind unschädlich. Reines Wasser soll aber keine Enterokokken, E. Coli, coliforme Bakterien, Pseudomonas oder Legionellen enthalten.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 13.08.2022)