Die InnoProfile-Transfer-Initiative

Die Photonik widmet sich den fundamentalen Grundlagen und Anwendungen der Wechselwirkung von Licht und Materie. Sie zählt zu den wichtigsten Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts und weist ein hohes Innovationspotential auf. Die mit der rasanten wissenschaftlich-technologischen Entwicklung einhergehenden Fortschritte in allen Bereichen der Photonik, besonders der Lasersensorik, bilden eine wesentliche Grundlage des InnoProfile-Transfer-Projekts „Angewandte Lasersensorik in komplexen Biosystemen - ALS ComBi“. In enger Kooperation mit der regionalen Wirtschaft ist die zentrale Aufgabe von ALS ComBi die Realisierung, Bereitstellung und Applikation einer Technologieplattform für Angewandte Lasersensorik, mit der Fragestellungen und Anwendungen im Bereich der Biophotonik umfassend zugänglich werden. Hierbei knüpft ALS ComBi unmittelbar an die erfolgreichen Arbeiten und gesammelten Erfahrungen der InnoProfile-Initiative „Angewandte Lasersensorik“ an.

Die Ziele

Das Hauptziel von ALS ComBi ist die Entwicklung und Optimierung lasersensorischer Messmethoden und ihre Anwendung für biophysikalische, biochemische bis hin zu physiologischen Fragestellungen. Es sollen so Funktionen und Zusammenhänge in unterschiedlich komplexen Biosystemen besser verstanden werden. Die Biosysteme reichen dabei von Biomolekülen in vitro und einzelnen Zellen bis hin zu gesamten Organen und Organismen. Die Herausforderung liegt also darin, Messsysteme für Zielstrukturen unterschiedlicher Größen- und Komplexitätsstufen zu etablieren.

Für die Umsetzung der Forschungsschwerpunkte von ALS ComBi sind Industriepartner aus verschiedenen Kernbereichen der Photonik und den Lebenswissenschaften im Vorhaben eingebunden, wodurch effektiv horizontale Synergieeffekte generiert werden. Dies wird die Innovationskraft der Region Berlin-Brandenburg im Bereich optischer Technologien langfristig weiter festigen und verbessern.

Die thematischen Schwerpunkte

Das strategische Konzept von ALS ComBi verfolgt einen dreigliedrigen Ansatz mit sowohl technisch-methodischen wie auch anwendungsorientierten, inhaltlichen Aspekten.

Applikationslabor
Die zentrale infrastrukturelle Entwicklung ist die Errichtung eines Applikationslabors für moderne lasersensorische Messtechniken als eine Art Innovationsumgebung. Insbesondere in den KMU sind die Ressourcen für FuE-Projekte oftmals signifikant begrenzt. Das Applikationslabor mit modernster Messtechnik bietet genau hierzu Lösungsansätze an und ist für die Entwicklung und das Austesten innovativer lasersensorischer Messmethoden hervorragend geeignet.

Ein Kernkonzept wird die Modifikation und Zusammenführung vorhandener Komponenten bzw. bereits etablierter Techniken sein, was zu neuen Messsystemen mit deutlichen Synergieeffekten führt. Die optimale Abstimmung von verschiedenen Laserquellen und von optischen Elementen mit diversen Detektoren erlaubt eine Anpassung zentraler Parameter wie spektrale, zeitliche und räumliche Auflösung sowie Empfindlichkeit, um spezielle Messanforderungen, die über das jeweilige Anwendungsfeld definiert werden, zu erfüllen. Schwerpunkte der Arbeit werden in den Bereichen Einzelmolekülspektroskopie, hochauflösende Mikroskopie und Multiplexing liegen.

Biosensorarray-Plattform
Neben den bildgebenden Verfahren sind insbesondere solche zur effektiven Analyse von definierten Zielmolekülen für die Diagnostik wichtig. Hierbei sind vor allem hohe Anforderungen bezüglich der Analysegeschwindigkeit, der Empfindlichkeit, der Probengröße und -vorbehandlung sowie der Multiparameterdetektion gestellt. Für eine effizientere Diagnostik ist insbesondere die Realisierung aller oben genannten Anforderungen durch eine Technologieplattform derzeit stark nachgefragt.

ALS ComBi wird unter Einbindung von Industriepartnern die Entwicklung eines neuartigen Sensorarrays für die Anwendung in der Bioanalytik in Angriff nehmen. Die Kenntnisse und Erfahrungen der Unternehmen bezüglich der Märkte in den Bereichen „Nanostrukturierung“, „Lichtmanipulation und -management“, „Detektion“, „Integration und Sensorik“, „Bioanalytik“ nutzt ALS ComBi, um eine neuartige Biosensorarray-Plattform mit nachhaltigen Synergieeffekten zu entwickeln. Diese zeichnet sich u.a. durch eine außergewöhnliche Empfindlichkeit (Einzelmolekül-Detektion) und eine parallele Detektion verschiedener Analyten (Multiplexing) aus. Für die Umsetzung werden die grundlegenden Elemente der Photonischen Kette miniaturisiert und durch Einsatz von nanophotonischen Komponenten spezifisch verbessert. Eine einfache Photonische Kette setzt sich aus Lichterzeugung, Lichtleitung und Lichtdetektion zusammen. Bei der Umsetzung der neuartigen Sensorarrays wird die Komponente der Lichtleitung um die Komponenten der gezielten Lichtmanipulation und des Lichtmanagements erweitert.

Optogenetik
Der Einsatz der Messsonde Licht zur hochpräzisen, räumlich-zeitlich koordinierten Kontrolle zellulärer Prozesse in Biosystemen in reversibler, nicht-invasiver Art und Weise ist in der Grundlagenforschung sowie in der angewandten biomedizinischen Forschung von außerordentlich hohem Interesse. Ein vielversprechender Ansatz ist hierbei die Optogenetik, die genetische Werkzeuge und optische Techniken in Form genetisch codierter, Licht-schaltbarer Proteine kombiniert. Erste Erfolge und das offensichtliche Potential stimulieren einen wachsenden Einsatz der Optogenetik in der Zukunft.

Da ALS ComBi Aktivitäten im Bereich Laser-Optik und Sensorik in Biosystemen vereint, sollen entscheidende Beiträge zur Weiterentwicklung optogenetischer Werkzeuge geleistet werden. Entscheidende Punkte bei der Verwendung optogenetischer Werkzeuge sind u.a. die geeignete Zuführung von Licht bzw. die Realisierung definierter zeitlicher wie spektraler Lichtmuster zur Anregung lichtempfindlicher Proteine. Um den Anwendungsbereich der Optogenetik zu erweitern, ist auch eine Miniaturisierung bestehender Elemente teilweise vorteilhaft.

Die Partner

Im Vorhaben ALS ComBi sind regionale wie nationale Industriepartner eingebunden.

• B∙R∙A∙H∙M∙S GmbH, Hennigsdorf
• GILUPI GmbH, Potsdam
• HOLOEYE Photonics AG, Berlin
• IGV Institut für Getreideverarbeitung GmbH, Nuthetal
• nanoplus GmbH, Gerbrunn
• PicoQuant GmbH, Berlin
• UP Transfer GmbH, Potsdam
• u.a.

Kontakt

Dr. Carsten Hille (Nachwuchsgruppenleiter)
Universität Potsdam, Institut für Chemie
Professur für Physikalische Chemie
Karl-Liebknecht-Straße 24-25, Haus 29
14476 Potsdam, OT Golm
Tel.: 0331 977-5255
Fax: 0331 977-6137
E-Mail: hille[at]uni-potsdam.de
www.uni-potsdam.de/alscombi

Prof. Dr. Hans-Gerd Löhmannsröben (Koordinator)
Universität Potsdam, Institut für Chemie
Professur für Physikalische Chemie
Karl-Liebknecht-Straße 24-25, Haus 29
14476 Potsdam, OT Golm
Tel.: 0331 977-5222
Fax: 0331 977-6137
E-Mail: loeh[at]chem.uni-potsdam.de

Zum Beitrag "Im Lichtkegel des Chemie-Nobelpreises" aus der Rubrik "Im Blickpunkt"

Nähere Informationen zum vorangegangenen InnoProfile-Projekt "Angewandte Lasersensorik"