Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB
Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB

Aptamere - Funktionelle Nukleinsäuren

Aptamere als smarte Bindemoleküle:
Von der Selektion bis zur Anwendung

Aptamere sind kurze einzelsträngige DNA- oder RNA-Moleküle, die durch ihre dreidimensionale Faltung hochaffin und hochselektiv an Zielstrukturen wie Proteine, kleine Moleküle oder ganze Zellen binden. Diese besondere Eigenschaft macht sie zu funktionellen Bindemolekülen mit maximaler Flexibilität und unterschiedlichsten Einsatzmöglichkeiten in Diagnostik, Therapeutik sowie Umwelt- und Lebensmittelanalytik. Das Fraunhofer IZI-BB verfügt über langjährige Expertise in der Selektion, Optimierung und Funktionalisierung von maßgeschneiderten Aptameren und setzt dabei auf automatisierte in vitro Selektion (SELEX) sowie effiziente Monitoring- und Prozessteuerungsverfahren. Unsere umfassende Infrastruktur mit S2- und Toxinlabor sowie modernster Zellkultur ermöglicht die Aptamergenerierung gegen eine Vielzahl von Zielstrukturen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Entwicklung innovativer aptamerbasierter Nachweissysteme wie Streifentests oder Aptasensoren, die eine schnelle, präzise und kosteneffiziente Detektion mit niedrigen Nachweisgrenzen ermöglichen. So entstehen neue Werkzeuge der modernen Biotechnologie, die nahezu alle Kategorien von Analyten erfassen können.

Charakteristika und Potentiale der Technologie

  • Überlegene alternative zu Antikörpern: Aufgrund ihrer einfachen chemischen Synthese, hohen Stabilität und geringen Immunogenität stellen Aptamere eine kostengünstige und vielseitige Alternative zu klassischen Antikörpern dar.
  • Diagnostische Biosensoren: Aptamere werden als hochspezifische Bindemoleküle in Biosensoren eingesetzt, um kleine Moleküle, Proteine, Viren, Bakterien und Zellen nachzuweisen.
  • Bildgebung und Detektion: Aptamere lassen sich mit Fluoreszenz- oder Nanopartikeln koppeln, um biologische Strukturen sichtbar zu machen.
  • Therapeutische Anwendungen: Aptamere dienen als Wirkstoff-Inhibitoren, indem sie gezielt an krankheitsrelevante Proteine oder Rezeptoren binden und deren Funktion blockieren.
  • Gezielte Wirkstofffreisetzung: Als »Targeting-Moleküle« ermöglichen Aptamere die präzise Ansteuerung bestimmter Zellen oder Gewebe und unterstützen so eine gezielte Wirkstoffabgabe.
  • Forschungstools: Aptamere ermöglichen die Untersuchung von Molekülinteraktionen, da sie auch immunogene Zielmoleküle oder spezifische Proteinfaltungen erkennen können, die mit Antikörpern schwer erfassbar sind.

 

Wir setzen unsere Kompetenzen für Ihre Forschungsziele ein.

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Unser Beitrag zu Ihrem Projekt

  • Maßgeschneiderte Entwicklung von DNA und RNA Aptameren mit hoher Affinität und Selektivität gegen das gewünschte Target
  • Target- und Anwendungsadaptierte Zell-, Capture- oder klassische SELEX 
  • Parallelisierte Entwicklung unter Berücksichtigung diverser Anwendungskonditionen zur Erhöhung der Erfolgswahrscheinlichkeit
  • Vollständige Charakterisierung der Aptamere mittels Sequenzanalyse, Bindungskinetiken & Affinitätskontrollen

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  • Aptamerentwicklung gegen Proteine inklusive Proteinexpressionsservice
  • Auch schwierig zu exprimierende Proteine, wie Membranproteine, können hergestellt werden
  • Herstellung von rekombinanten Proteinen mit nicht-natürlichen Aminosäuren
  • Herstellung einzelner Proteindomänen 

 

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Zellfreie und zellbasierte Proteinsynthese – Neben der konventionellen, zellbasierten Produktion liegt ein weiterer Schwerpunkt am Fraunhofer IZI-BB vor allem in der zellfreien Proteinsynthese. Diese Methode ermöglicht nicht nur eine schnellere Produktionszeit und macht den Syntheseprozess  ökonomisch, der Prozess wird auch flexibler und besser steuerbar.

 

Der SELEX Prozess zur Aptamerentwicklung

Illustration des SELEX-Prozesses

1) Startbibliothek: eine große, zufällige Sammlung von DNA- oder RNA-Sequenzen wird synthetisch hergestellt.

2) Selektion: Die Bibliothek wird mit dem gewünschten Ziel (z. B. Protein, kleines Molekül, Zelle) inkubiert und nur passende Sequenzen binden. Alle anderen werden entfernt.

3) Anreicherung: Gebundene Sequenzen werden von der Zielstruktur getrennt und anschließend mittels PCR vervielfältigt.

4) Wiederholung und Sequenzierung: Mehrere (~6-9) Selektionszyklen werden durchgeführt, bis hochspezifische Aptamere entstehen; am Ende erfolgt die Sequenzierung.

 

 

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LinCA: Analytik für Krankheiten des zentralen Nervensystems

Für die Erschließung des großen, diagnostischen Potentials von Cerebrospinalflüssigkeit

© Fraunhofer IZI-BB
Iteratives Zusammenspiel von ‚low-input cell capture‘, low-input metabolomics/proteomics‘ und ‚low-input genomics/transcriptomics‘ in LinCA zur Identifizierung und Validierung von prädikativen Biomarkern.

LinCA (Low‑input CSF Analysis) adressiert den dringenden Bedarf an sensitiven Biomarkerverfahren, da für viele Erkrankungen, insbesondere im ZNS (zentrales Nervensystem), zuverlässige diagnostische und prädiktive Marker fehlen. Cerebrospinalflüssigkeit (CSF) bietet als Probe ein hohes diagnostisches Potential, erfordert allerdings aufgrund geringer Analytkonzentrationen neuartige Technologien. Im Rahmen des Projekts wird eine modulare Low‑Input‑Omics‑Plattform geschaffen, die eine innovative, mikrofluidische Separation sehr geringer Zellzahlen, mit einer fluoreszenzbasierten Detektion durch selektive und hochaffine Aptamere sowie modernste molekulare Analysen minimaler Protein‑, Metabolit‑ und DNA-Mengen kombiniert. 

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LEGIOPLAS: Messsystem mit plasmonischem Aptamer-Sensorchip

Für die Vor-Ort-Analyse der Legionellen-Belastung von Trinkwasserinstallationen

Entwurf des mobilen Legionellen-Messsystems, das im BMBF-Verbundprojekt LEGIOPLAS entwickelt wird.
© ECH Elektrochemie Halle GmbH
Links: Legionella pneumophila. Raster-Elektronenmikroskopie (©RKI) Rechts: Trinkwasser als Gefahrenquelle. Vor allem nach längerer Ruhezeit eines Trinkwassersystems können sich Keime wie Legionellen bilden.

LEGIOPLAS ist ein interdisziplinäres Forschungsprojekt, in dem ein mobiles, photonikbasiertes Messsystem zum Schnellnachweis von Legionellen im Trinkwasser entwickelt wird. Anstelle der bislang üblichen Kultivierung im Labor, die ca. 2 Wochen bis zum Ergebnis benötigt, soll ein plasmonischer Sensor Legionellen, einschließlich epidemiologisch relevanter Unterarten wie Legionella pneumophila Serogruppe 1, direkt vor Ort und nahezu in Echtzeit detektieren. Dazu werden neuartige nanophotonische Strukturen mit spezifisch bindenden Aptameren kombiniert und in ein transportables Gerät mit automatisiertem Messablauf integriert. Das System soll eine schnelle Einschätzung der Legionellenbelastung erlauben, frühzeitige Gegenmaßnahmen unterstützen und so die Trinkwasserhygiene sicherer, effizienter und kostengünstiger gestalten. 

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APTACHIP: Aptamer-basierten Biosensor

Aptamer array chip for monoclonal antibodies real time quantification in bioreactor (EuroTransBio)

Logo-EuroTransBio

Das Ziel des APTACHIP-Projekts ist die Entwicklung eines Aptamer-basierten Biosensors, welcher die Echtzeitmessung von biochemischen Spezies im Wachstumsmedium eines Bioreaktors erlaubt. Zur Demonstration der Funktionalität (Machbarkeitsbeweis) wird der Aptasensor zunächst zum Nachweis von monoklonalen Antikörpern ausgerichtet. Ein solcher Biosensor kann zukünftig für den quantitativen Nachweis verschiedener chemischer Spezies dienen und vor allem für die Optimierung der Nährstoffversorgung eines Bioreaktors genutzt werden. Neben dem Bioreaktormarkt soll das Aptasensor-Konzept durch weitere FuE-Leistungen im Projektanschluss auch an den Einsatz in den Bereichen Wasserkontrolle, Lebensmittelsicherheit sowie industrielle Prozesskontrolle angepasst werden.

Methoden

  • Target-adaptiertes Design einer Nukleinsäure Startbibliothek
  • Automatisierter in vitro Selektionsprozess (SELEX) zur Anreicherung von Bindern und simultanem Monitoring
  • Umfängliche Charakterisierung der Aptamere durch Sequenzanalyse, Affinitätsstudien (FLAA, EMSA & FACS) und Bestimmung der Bindungskonstanten (SPR, MST & ITC)
  • Optimierung der Aptamere durch Verkürzungen, Mutagenese, chemische Modifizierung oder ‚doped‘ SELEX
  • Validierung der Funktionsfähigkeit in anwendungsnahen Modellen

 

 

 

Geräte und Ausstattung

  • Molekularbiologische Labore der Sicherheitsstufe S1 und S2
  • Beckman Coulter Biomek i7 (MC96, Span-8, Orbital Shaker, Peltier Heating and Shaking, Thermo KingFisher Presto, Alpaqua Magnum FLX Magnet Plate, Biomel Pogo Tube Chiller, Wash Station MC96, Thermo ATC 96-Well Thermal PCR Cycler, BioTek Epoch 2 Spectrophotometer)
  • PCR UV3/HEPA Workstation von Analytik Jena
  • Illumina MiniSeqTM
  • Implen NP80
  • Mikrotiterplatten-Fluorometer CLARIOstarPlus von BMG Labtech
  • Cytiva Biacore 1S+
  • Nanotemper Monolith NT.115
  • Sony FACS SH800S
  • Malvern MicroCal PEAQ-ITC
  • Jasco J-710 Spectropolarimeter

Projekt LinCA
  • Fraunhofer ITMP, Frankfurt/Göttingen
  • Fraunhofer ITEM-R, Regensburg
Projekt APTACHIP
  • Fraunhofer IKTS, Dresden
  • GeSim GmbH
  • Ipratech SA – Belgium
  • Multitel asbl – Belgium

Projekt LEGIOPLAS

  • ECH Elektrochemie Halle GmbH (Projektkoordination)
  • GeSIM Gesellschaft für Silizium-Mikrosysteme mbH
  • Prema Semiconductor GmbH
  • dresden Elektronik Ingenieurtechnik GmbH
  • Fraunhofer IKTS, Dresden
  • Universitätsklinikum an der Technische Universität Dresden

 

 

 

 

 

  • Reck J., Mihov K., Jakob T.H., Dreymann N., El Agami H., Plesshoff S., Mykhailiuk K., Weigel W., Jungmann P., Wiglenda T., Schleunitz A., Freund W., Kresse M., Weigel M., Qian T., Amberg M., Von Emden L., Winklhofer P., Keuer C., Schuler B., Zawadzki C., De Felipe D., Menger M.M., Kleinert M., Keil N., Schell M. (2025), Demonstration of a Si3N4 Microring Resonator-Based Aptasensor for Human Urokinase-type Plasminogen Activator (uPA) Detection in Point-of-Care Diagnostics, Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc, 2025:1-6, https://doi.org/10.1109/EMBC58623.2025.11253292.
  • De Pascali M.C., Dreymann N., Menger M.M., Rant U., Engelen W. (2025), Kinetic screening of nucleic acid ligand libraries for hit identification, binding mode characterization, and sequence optimization, Sensing and Bio-Sensing Research, 49, 100840, https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2025.100840.
  • Subhashini N., Kerler Y., Menger M.M., Böhm O., Witte J., Stadler C., Griberman A. (2024), Enhancing Colorimetric Detection of Nucleic Acids on Nitrocellulose Membranes: Cutting-Edge Applications in Diagnostics and Forensics, Biosensors, 14(9), 430, https://doi.org/10.3390/bios14090430.
  • Menger M.M., Yarman A., Oktay A., Scheller F.W. (2023), Molekularer Abdruck oder Selektion bei der Erzeugung biomimetischer Specifyer, BIOspektrum (Heidelb.), 29(7), 806-809, https://doi.org/10.1007/s12268-023-2064-y.
  • Weidemann, H., Feger, D., Ehlert, J. E., Menger, M. M., & Krempien, R. C. (2023). Markedly divergent effects of Ouabain on a Temozolomide-resistant (T98G) vs. a Temozolomide-sensitive (LN229) Glioblastoma cell line. Discov Oncol, 14(1), 27. https://doi.org/10.1007/s12672-023-00633-2
  • Sabrowski, W., Stöcklein, W. F. M., & Menger, M. M. (2023). Immobilization-Free Determination of Dissociation Constants Independent of Ligand Size Using MicroScale Thermophoresis. In G. Mayer & M. M. Menger (Eds.), Nucleic Acid Aptamers: Selection, Characterization, and Application (2 ed., pp. 129-140). Humana. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2695-5_10
  • Mayer, G., & Menger, M. M. (2023). Preface. In G. Mayer & M. M. Menger (Eds.), Nucleic Acid Aptamers: Selection, Characterization, and Application (2 ed., pp. V-VI). Humana. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2695-5
  • Kerler, Y., Sass, S., Hille, C., & Menger, M. M. (2023). Determination of Aptamer Structure Using Circular Dichroism Spectroscopy. In G. Mayer & M. M. Menger (Eds.), Nucleic Acid Aptamers: Selection, Characterization, and Application (2 ed., pp. 119-128). Humana. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2695-5_9
  • Dreymann, N., Möller, A., & Menger, M. M. (2023). Label-Free Determination of the Kinetic Parameters of Protein-Aptamer Interaction by Surface Plasmon Resonance. In G. Mayer & M. M. Menger (Eds.), Nucleic Acid Aptamers: Selection, Characterization, and Application (2 ed., pp. 141-153). Humana. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2695-5_11
  • Schmidt, C., Kammel, A., Tanner, J. A., Kinghorn, A. B., Khan, M. M., Lehmann, W., Menger, M., Schedler, U., Schierack, P., & Rödiger, S. (2022). A multiparametric fluorescence assay for screening aptamer–protein interactions based on microbeads. Scientific Reports, 12(1), 2961. https://doi.org/10.1038/s41598-022-06817-0
  • Sabrowski, W., Dreymann, N., Möller, A., Czepluch, D., Albani, P. P., Theodoridis, D., & Menger, M. M. (2022). The use of high-affinity polyhistidine binders as masking probes for the selection of an NDM-1 specific aptamer. Scientific Reports, 12(1), 7936. https://doi.org/10.1038/s41598-022-12062-2
  • Dreymann, N., Wuensche, J., Sabrowski, W., Moeller, A., Czepluch, D., Vu Van, D., Fuessel S., & Menger, M. M. (2022). Inhibition of Human Urokinase-Type Plasminogen Activator (uPA) Enzyme Activity and Receptor Binding by DNA Aptamers as Potential Therapeutics through Binding to the Different Forms of uPA. International Journal of Molecular Sciences, 23(9).
  • Dreymann, N., Sabrowski, W., Danso, J., & Menger, M. M. (2022). Aptamer-Based Sandwich Assay Formats for Detection and Discrimination of Human High- and Low-Molecular-Weight uPA for Cancer Prognosis and Diagnosis. Cancers, 14(21).
  • Kutovyi, Y., Li, J., Zadorozhnyi, I., Hlukhova, H., Boichuk, N., Yehorov, D., Menger, M., &. Vitusevich, S. (2020). Highly Sensitive and Fast Detection of C-Reactive Protein and Troponin Biomarkers Using Liquidgated Single Silicon Nanowire Biosensors. MRS Advances, 5(16), 835-846. https://doi.org/10.1557/adv.2020.60
  • Kutovyi, Y., Hlukhova, H., Boichuk, N., Menger, M., Offenhäusser, A., & Vitusevich, S. (2020). Amyloid-beta peptide detection via aptamer-functionalized nanowire sensors exploiting single-trap phenomena. Biosensors and Bioelectronics, 154, 112053. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112053
  • Sass, S., Stöcklein, W. F. M., Klevesath, A., Hurpin, J., Menger, M., & Hille, C. (2019). Binding affinity data of DNA aptamers for therapeutic anthracyclines from microscale thermophoresis and surface plasmon resonance spectroscopy [10.1039/C9AN01247H]. Analyst, 144(20), 6064-6073. https://doi.org/10.1039/C9AN01247H
  • Hlukhova, H., Menger, M., Offenhäusser, A., & Vitusevich, S. (2018). Highly Sensitive Aptamer-Based Method for the Detection of Cardiac Biomolecules on Silicon Dioxide Surfaces. MRS Advances, 3(27), 1535-1541. https://doi.org/10.1557/adv.2018.332
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  • Schütze, T., Wilhelm, B., Greiner, N., Braun, H., Peter, F., Mörl, M., Erdmann, V.A., Lehrach, H., Konthur, Z., Menger, M., Arndt, P.F., Glökler, J. (2011). Probing the SELEX Process with Next-Generation Sequencing. PLOS ONE, 6(12), e29604. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0029604
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