Allgemeine Zielsetzung: Markierungs- und PCR-freie Detektion von DNA und weiteren biomolekularen Systemen und deren biologische Relevanz für die Tumor Analytik.

1. Empfindlichkeitssteigerung: Verbesserung des Detektionslimits um 2 bis 3 Größenordnungen um direkte PCR-freie Detektion zu ermöglichen.

2. Erweitertes Anwendungsgebiet: Erweiterung der markierungsfreien Anwendung von DNA auf weitere molekulare Systeme

3. Quantifizierbarkeit und Relevanz: Detaillierte Bewertung der Quantifizierungsfähigkeit und biologischen Relevanz solcher Analysen für die Tumor Analytik.

Genomik und Proteomik versprechen die Gesundheitsversorgung mit tiefgreifenden Visionen wie prädiktive, präventive und personalisierte Medizin zu revolutionieren. Der enorme Fortschritt in diesen Bereichen ist eng an die Entwicklung von leistungsfähigen Methoden zur Identifizierung und Analyse von Biomolekülen und deren komplexen Interaktionen gekoppelt. Moderne Techniken bieten dabei eine Fülle von Informationen. Aktuell findet dabei ein Übergang statt von der einfachen „Beobachtung“ von Abhängigkeiten hin zum systembiologischen „Verstehen“ von Mechanismen. Dies zeigt, dass neue Analyseverfahren mit erweiterten Funktionalitäten, die Informationen auf verschiedenen biomolekularen Interaktionsebenen liefern können, entwickelt werden müssen.

THz-Technologien haben ein großes Potenzial nachgewiesen, um markierungsfrei biomolekulare Systeme untersuchen zu können, da makromolekulare Schwingungen und biomolekulare Wechselwirkungen resonant in diesem Frequenzbereich sind. Dies ebnet den Weg für markierungsfreie biomolekulare Analysen. Das Ziel dieses Projektes ist die grundlegende Erweiterung der biomolekularen Analysefähigkeit mit elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich. Hierbei sind drei Aspekte von primärem Interesse:

• Empfindlichkeitssteigerung um 2 bis 3 Größenordnungen um direkte PCR-freie Detektion zu ermöglichen,

• Erweiterung der markierungsfreien Anwendung von DNA auf weitere molekulare Systeme,

• detaillierte Bewertung der Quantifizierungsfähigkeit und biologischen Relevanz solcher Analysen.

Diese Aktivität setzt auf langjährige Aktivitäten zur markierungsfreien DNA Analytik auf, die bereits eine Empfindlichkeitssteigerung um 8 Größenordnungen bis zu einer weltweit unübertroffenen sub-Femtomol Nachweisgrenze nachgewiesen haben.

Um diese Forschungstätigkeit zu fokussieren, konzentrieren sich alle experimentellen Analysen auf tumorbedingte biomolekulare Fragestellungen und werden anhand von Referenzmessungen validiert. Gerade im Bereich der Tumorforschung wird immer deutlicher, dass der traditionelle wissenschaftliche Ansatz, der die Zellfunktion auf einzelne Komponenten und Signalübertragungswege zu reduzieren versucht, nicht ausreichend ist. Anhand von Korrelationsanalysen wird offensichtlich, dass das Verhalten eines biologischen Systems, insbesondere eines mit Auswirkungen auf Tumore, nicht auf ein einzelnes Molekül oder Reaktionsweg zurückgeführt werden kann, sondern das Ergebnis von Wechselwirkungen auf unterschiedlichen biomolekularen Ebenen darstellt. In diesem Projekt wird untersucht und quantitativ validiert, inwieweit THz-Sensoren auf Basis von frequenzselektiven Oberflächen solche multi-level biomolekularen Analysen auf einem für die biomedizinische Anwendung adäquaten wettbewerbsfähigen Sensitivitäts- und Spezifizitätslevel ermöglichen können.

C. Weisenstein, H. Schäfer-Eberwein, D. Schaar, A. Bosserhoff and P. Haring Bolívar „Label-free biomolecular sensing with integrated THz systems,“ The 5th Annual Conference of AnalytiX 2017 & The 10th Anniversary of Protein & Peptide Conference, Fukuoka, Japan 22.03.2017 – 24.03.2017

A. Neuberger, C. Weisenstein, P. Haring Bolívar, A. Ibáñez, M. Fragoso, R. Gonzalo, N. Vieweg, P. Leisching „Early invasive fungal infection detection with laser-based Terahertz sensor systems“ Deutsche Biotechnologietage 2017, Hannover, Deutschland 05.04.2017 -06.04.2017

C. Weisenstein, D. Schaar, H. Schäfer-Eberwein, A. Bosserhoff and P. HaringBolívar „Ultra-Sensitive Marker-Free Biomolecular THz Detection for Tumor Analysis“ to be published in Proceedings of the 47th European Microwave Conference (EuMC), Nürnberg, Deutschland, 08.10.2017 -13.10.2017