Das Hantieren mit kleinsten Flüssigkeitsmengen ist bei DNA-, Protein- und anderen Bio-Chips der Schlüssel zum Erfolg. Da müssen die unterschiedlichsten in Wasser gelösten Stoffe miteinander in Kontakt gebracht, vermischt, erwärmt und detektiert werden. Doch auf teure und unhandliche Miniatur-Pumpen, -Ventile, -Kanäle oder -Schläuche kann in Zukunft verzichtet werden – dank einer Erfindung der Firma Advalytix in Brunnthal bei München. Auf deren briefmarkengroßen Chips bewegen sich winzige Tröpfchen wie von Geisterhand: Sie gleiten über die Oberfläche, beschleunigen blitzschnell, verharren wieder ruhig, schlagen Haken, treffen auf andere Flüssigkeitskugeln, vereinigen sich mit ihnen und ändern plötzlich die Farbe. „Dies ist das erste frei programmierbare Biochemie-Labor auf einem Mikrochip”, erklärt Achim Wixforth. Der Professor an der Universität Augsburg ist Chief Technology Officer des Unternehmens, das vor rund zwei Jahren aus dem Center for NanoScience der Universität München hervorging. Basierend auf Wixforths Patenten haben sich 30 Physiker, Biologen, Chemiker, Elektroniker und Halbleitertechnologen vorgenommen, das Gebiet der Biochips zu revolutionieren. Wegen seiner innovativen Lösungen wurde Advalytix im Oktober bereits zum „Bayerischen Mittelstandsunternehmen des Jahres 2002″ gekürt.
Was heute Laboranten – oder auch Roboter – tun, nämlich mit kleinsten Flüssigkeitsmengen hantieren, sie verrühren, erwärmen, mischen, zur Reaktion bringen – all das kann in Zukunft auf den Advalytix-Chips stattfinden. Seine Grundidee kupferte Wixforth von der Natur ab. „Kleine Wassertropfen”, sagt er, „stabilisieren sich dank ihrer Oberflächenspannung von selbst. Betrachten Sie nur einmal die Tautropfen, die wie gleichgroße Perlen an Spinnennetzen hängen.” Da die Tröpfchengröße auf den Chips nur von der Beschichtung der Chip-Oberfläche abhängt, braucht man keine Reagenzgläser: „Jeder Tropfen ist sein eigenes Reagenzglas” , sagt Achim Wixforth.
Doch wie lassen sich freie Tröpfchen gezielt hin- und herbewegen? Hier greift Wixforths zweite geniale Idee: Er verursacht kleine „Erdbeben” auf den Chips, die meist aus Lithiumniobat bestehen. Derartige Bauteile werden etwa in Handys als Frequenzfilter eingesetzt – weshalb sie preisgünstig und in hervorragender Qualität zur Verfügung stehen. Auf diesem „ piezoelektrischen” Material sind Elektroden aufgedampft. Werden sie einer hochfrequenten elektrischen Spannung ausgesetzt, entsteht eine akustische Schwingung, die als Oberflächenwelle über den Lithiumniobat-Kristall läuft. „Ihre Auslenkung nach oben und unten beträgt zwar nur wenige Nanometer”, sagt Wixforth, „ doch dieses Nanobeben genügt, um einen viel größeren Tropfen in Bewegung zu versetzen.”
Der nimmt die Energie der Welle fast vollständig auf. Anschließend beult er sich in Bewegungsrichtung aus, hebt kurz ab und schwappt wieder zurück. So kann sich der Tropfen wie eine Raupe fortbewegen – und zwar je nach Ansteuerung in eine beliebige Richtung, auch über Sensoren, Heizspiralen oder ähnliche Teile, die in den Chips eingebaut sind. Zudem lässt sich die Energie des Nanobebens so niedrig einstellen, dass der Tropfen auf der Stelle verharrt, aber durch die in seinem Inneren angeregten Strömungen durchmischt wird. Einen solchen Mixer hat Advalytix zusammen mit der Firma Grohmann Biotech Automation auf den Markt gebracht. Dieses Gerät, sagt Wixforth, mache biochemische Reaktionen auf konventionellen DNA- und Protein-Chip-Arrays „um einen Faktor zehn effizienter und schneller”. Aber das soll erst der Anfang sein: Folgen könnten winzige Labors für lebende Zellen – etwa zur Prüfung der Verträglichkeit von Implantaten – oder programmierbare, billig in Massenfertigung herstellbare Biochips mit integrierter Sensorik.
Ulrich Eberl
