Biotechnologie
Mini-Tropfen-Methode für Enzym- und Wirkstofftests
Eine Glasplatte, ein feines Röhrchen und ein Ölbad – mehr braucht es nicht: Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) haben eine Methode entwickelt, mit der sie zehntausende winzige Tropfen innerhalb von Minuten erzeugen. Damit lassen sich Enzyme und Wirkstoffe schneller, präziser und ressourcenschonender testen als bisher.
Zehntausende Tropfen für biochemische Tests
Bis zu 100.000 winzige Tropfen können die Forschenden präzise auf einer präparierten Glasplatte platzieren und für biochemische Tests nutzen. Das Verfahren spart Zeit, Chemikalien und Plastikabfall – und ermöglicht frei kombinierbare Experimente im Miniaturformat, etwa zur Analyse von Enzymreaktionen.
Die ETH Zürich hat die Methode patentieren lassen und für den diesjährigen Spark Award nominiert. Zudem ist ein Spin-off in Vorbereitung.
Enzym-Wirkstoff-Wechselwirkungen effizient untersuchen
Was passiert, wenn ein Enzym auf einen möglichen Wirkstoff trifft, der das Enzym hemmen oder aktivieren soll? Diese Frage steht im Zentrum vieler Entwicklungen neuer Medikamente. Doch die Analyse solcher Wechselwirkungen ist aufwendig.
Die Forschungsgruppe von Petra Dittrich, Professorin für Bioanalytik an der ETH Zürich, hat ein Verfahren entwickelt, das diese Tests deutlich vereinfacht. Auf einer Glasplatte lassen sich bis zu 100’000 winzige Tropfen mit Enzymen und Substraten erzeugen – in nur 40 Minuten und ganz ohne Pipette.
Bisher kamen für solche Analysen meist Mikrotiterplatten zum Einsatz – Kunststoffplatten mit bis zu 1.500 kleinen Vertiefungen, die mit Pipetten befüllt werden. Die neue Methode der ETH-Forschenden ist effizienter, ressourcenschonender und flexibler.
Punktgenaue Tropfen auf Glas
Das Herzstück der Methode ist eine beschichtete Glasplatte von der Grösse eines Objektträgers: etwa zwei auf sieben Zentimeter. Ihre Oberfläche ist mit einer wasserabweisenden Schicht überzogen, an bis zu 100.000 Punkten jedoch freigelegt – dort entstehen winzige wasserliebende (hydrophile) Landeplätze für Tropfen.
Die Testlösung wird durch ein feines Röhrchen auf die Glasplatte geleitet, die sich präzise gesteuert bewegt. Sobald die Flüssigkeit einen hydrophilen Punkt erreicht, trennt sich ein Tropfen ab und bleibt genau dort haften. Mit einem Durchmesser zwischen 50 und 250 Mikrometern sind die Tropfen dünner als ein Haar und mit blossem Auge kaum zu erkennen.
Damit sie stabil bleiben, liegt die Glasplatte in einem flachen Ölbad. Das Öl verhindert das Verdampfen der Flüssigkeit und schützt vor Verunreinigungen. Nach dem Versuch kann es aufgefangen, gereinigt und wiederverwendet werden.
Automatisiertes Gerät im Mikroskopformat
Die Tropfenproduktion erfolgt automatisiert in einem kompakten Gerät – etwa so gross wie ein Mikroskop. Es kann zusätzlich mikroskopieren, Zellen kultivieren und automatisch Proben wechseln.
„Früher brauchte man eine halbe Stunde, um alles richtig einzustellen", sagt Maximilian Breitfeld, Wissenschaftler in der Forschungsgruppe von Dittrich. „Heute reicht dank unserer Automatisierung ein Knopfdruck, und das Experiment kann starten."
Durch die Kombination aus präziser Steuerung und physikalischem Öl-Schutz lässt sich die Zusammensetzung der Tropfen gezielt variieren – etwa mit unterschiedlichen Wirkstoffkonzentrationen. So können Forschende Enzyme über längere Zeit beobachten oder den Effekt von Wirkstoffen auf Zellen in hochparallelisierten Tests untersuchen.
Die Analyse der Tropfen erfolgt mittels Fluoreszenzmikroskopie oder Massenspektrometrie, wodurch Enzymreaktionen exakt verfolgt werden können.
Wenn Stunden zu Minuten werden
Die Grundidee der Tropfentechnologie stammt aus früheren Arbeiten der Gruppe. „Wir wussten, wie die Technologie prinzipiell funktioniert, aber sie war zu langsam, um in der Praxis konkurrenzfähig zu sein", erklärt Dittrich.
Den entscheidenden Schritt machten die damaligen Doktoranden Maximilian Breitfeld und Claudius Dietsche. Ihr neu entwickeltes Verfahren beschleunigt die Tropfenerzeugung massiv und automatisiert den gesamten Ablauf.
Die ETH liess das Verfahren patentieren und nominierte es als Finalist für den diesjährigen Spark Award.
Grosse Datenmengen, kleiner Ressourcenverbrauch
Die enorme Leistungsfähigkeit bringt neue Herausforderungen mit sich. „Wir erzeugen eine riesige Menge an Daten", sagt Dittrich. „Das ist manuell gar nicht mehr auszuwerten – dafür brauchen wir Softwarelösungen, die uns helfen, die Informationen sinnvoll zu analysieren."
Trotz der grossen Datenmengen bleibt der Ressourcenverbrauch gering: Pro Experiment können bis zu fünf Kilogramm nicht recycelbaren Plastik eingespart werden, das eingesetzte Öl wird wiederverwendet, und der Chemikalienverbrauch sinkt drastisch. Statt Litern an Reaktionsmedium werden nur noch Mikroliter benötigt.
Grenzen hat die Methode dennoch: Sie eignet sich vor allem für schnelle Reaktionen in kleinen Volumina – typisch für mikrofluidische Anwendungen. Für grössere Flüssigkeitsmengen oder Gewebekulturen, die über Wochen wachsen, ist sie nicht geeignet.
Vom Labor zum Spin-off
Die Forschenden planen nun ein Spin-off, um die Methode zur Marktreife zu bringen. Vorgesehen ist ein Komplettsystem aus Glasplatten, Gerät und Software – optional ergänzt um darauf basierende biologische Tests.
„Für mich ist entscheidend, dass das System wirklich zuverlässig und einfach zu bedienen wird", sagt Dietsche. „Nur wenn wir die Benutzerfreundlichkeit garantieren können, kann es auch ausserhalb unseres Forschungslabors eingesetzt werden."
Die Nachfrage sei bereits spürbar, berichten die Forschenden. Und die Nominierung für den Spark Award gibt ihnen zusätzlichen Rückenwind für die geplante Ausgründung.
Originalpublikation:
Breitfeld, M., Dietsche, C. L., Saucedo-Espinosa, M. A., Berlanda, S. F., & Dittrich, P. S. (2025). Ultrafast formation of microdroplet arrays with chemical gradients for label-free determination of enzymatic reaction kinetics. Small. DOI:10.1002/smll.202410275
Quelle: Deborah Kyburz, ETH Zürich
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