Eine Lumineszenzreaktion nach dem Vorbild von Glühwürmchen kann eine Kontamination mit Organophosphaten mit hoher Empfindlichkeit, Leichtigkeit und geringen Kosten nachweisen. Im Zentrum dieser Technologie steht eine neue enzymatische Methode zur Synthese von Analoga von Luciferin, der Substanz, die Glühwürmchen zum Leuchten bringt. Wie ein Forscherteam in der Zeitschrift berichtet Internationale Ausgabe der Angewandten Chemiees könnte auch im Feld verwendet werden.
Der weit verbreitete Einsatz von toxischen Organophosphat-Pestiziden (OPs) ist ein sehr ernstes globales Umwelt- und Gesundheitsproblem. Besorgniserregend sind akute, oft tödliche Vergiftungsfälle in der Landwirtschaft – insbesondere in Entwicklungsländern – sowie giftige Pestizidrückstände, die sich in Nahrungsketten und Süßwasserreservoirs anreichern und dort beispielsweise Krebs, Alzheimer und Diabetes auslösen können. In der EU und den USA sind OPs streng reguliert.
Der herkömmliche Nachweis durch Chromatographie/Massenspektrometrie ist aufwendig, teuer und für den Einsatz in armen Ländern oder abgelegenen Gebieten nicht geeignet. Testkits sind normalerweise nicht empfindlich und unzuverlässig. Ein Team aus Thailand und Japan hat nun einen kostengünstigen, einfachen Test entwickelt, der OPs ohne Probenvorbereitung mit hoher Spezifität und extremer Sensitivität direkt in Lebensmitteln und biologischen Proben nachweist.
Die Forscher um Pimchai Chaiyen begannen mit einer neuen enzymatischen Kaskadenreaktion zur Synthese von Luciferinanaloga aus phenolischen Verbindungen, die sie HELP-Reaktion nannten. Luciferin ist das Substrat des Enzyms Luciferase und bringt Glühwürmchen zum Leuchten. Die durch Luciferase katalysierte Biolumineszenz ist eine wichtige Methode, die in der biochemischen Forschung und der Analyse von Giftstoffen verwendet wird. HELP ermöglicht es, Luciferin-Analoga viel einfacher als bisher herzustellen, ohne spezielles Fachwissen oder giftige Chemikalien. Luciferin-Analoga erzeugen Lumineszenz in verschiedenen Wellenlängen und ermöglichen den parallelen Nachweis verschiedener Zielmoleküle. Unter anderem stellte das Team zwei bisher unbekannte Luciferin-Analoga her. Einer davon erzeugt helleres Licht mit einer längeren Wellenlänge als das Original, das Zellen und Gewebe effizienter durchdringt. Dies erleichtert die Bildgebung in Echtzeit und trägt dazu bei, die Notwendigkeit von Tierversuchen zu reduzieren.
Auch das neue Verfahren zum Nachweis von Organophosphaten basiert auf HELP. LUMOS (Luminescence Measurement of Organophosphate and Derivatives) umfasst drei Reaktionsschritte. Zunächst baut ein Enzym aus Bodenbakterien die OPs und/oder ihre Metaboliten in Phenolderivate ab. Diese werden im zweiten Schritt über die HELP-Reaktion in ein Luciferin-Analogon umgewandelt. Im dritten Schritt wird das Luciferin-Derivat verwendet, um mit Glühwürmchen-Luciferase ein Biolumineszenzsignal zu erzeugen. Die Wellenlänge kann verwendet werden, um zwischen verschiedenen OPs zu unterscheiden. Das Team konnte fünf besonders giftige OPs wie Parathion (E605) in Konzentrationen von Teilen pro Billion (ppt) in Urin, Blutserum und Früchten ohne Probenvorbereitung nachweisen.
Pratchaya Watthaisong et al., Luciferin-Synthese und Pestizid-Nachweis durch enzymatische Lumineszenzkaskaden, Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie (2022). DOI: 10.1002/ange.202116908