16.03.2022 - Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology (VISTEC)

Glühwürmchen-Leuchten entlarvt Pestizide

Luciferin-Synthese und Organophosphat-Nachweis durch lumineszierende enzymatische Kaskade

Eine den Glühwürmchen abgeschaute Leuchtreaktion könnte Kontaminationen mit Organophosphat-Pestiziden nachweisen – hochempfindlich, aber einfach und kostengünstig. Herzstück der auch für den Feldeinsatz geeigneten Technik ist eine neue enzymatische Synthesemethode für Analoga des Glühwürmchen-Leuchtstoffs Luciferin, wie ein Forschungsteam in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet.

Die breite Verwendung toxischer Organophosphat-Pestizide (OPs) ist ein sehr ernsthaftes globales Umwelt- und Gesundheitsprobleme: Zum einen aufgrund akuter, oft tödlicher Vergiftungsfälle in der Landwirtschaft, insbesondere in Entwicklungsländern. Zum anderen aufgrund giftiger Pestizid-Rückstände, die sich für lange Zeit in Nahrungsketten und in Frischwasserreservoirs anreichern und z.B. Krebs, Alzheimer und Diabetes auslösen können. In der EU und den USA sind OPs strikt reguliert.

Der übliche Nachweis per Chromatographie/Massenspektrometrie ist aufwendig, teuer und nicht für einen Einsatz in armen Ländern oder abgelegenen Regionen geeignet. Testkits sind meist unempfindlich und unzuverlässig. Das Team aus Thailand und Japan hat jetzt einen kostengünstigen, einfachen Test entwickelt, der OPs ohne Probenvorbereitung direkt in Lebensmitteln und biologischen Proben spezifisch und extrem sensitiv nachweist.

Ausgangspunkt war eine neue enzymatische Kaskaden-Reaktion des Teams um Pimchai Chaiyen zur Herstellung von Luciferin-Analoga aus phenolischen Verbindungen – die sogenannte HELP-Reaktion. Luciferin ist das Substrat des Enzyms Luciferase und bringt Glühwürmchen zum Leuchten. Durch Luciferase katalysierte Biolumineszenz ist eine wichtige Methode der biochemischen Forschung und Analytik von Giftstoffen. Mit HELP lassen sich Luciferin-Analoga wesentlich einfacher als bisher, ohne spezielle Expertise und ohne toxische Chemikalien herstellen. Luciferin-Analoga erzeugen ein Leuchten in anderen Wellenlängen und ermöglichen eine parallele Detektion verschiedener Zielmoleküle. Dem Team gelang u.a. die Herstellung zweier bisher unbekannter Luciferin-Analoga. Eines erzeugt helleres, langwelligeres Licht als das Original, das Zellen und Gewebe effizienter durchdringt. Das erleichtert die Echtzeit-Bildgebung und hilft, Tierversuche zu reduzieren.

Auch der neue Organophosphat-Nachweis basiert auf HELP. „LUMOS“ (Luminescence Measurement of Organophosphate and Derivatives) umfasst drei Reaktionsschritte: Zunächst baut ein Enzym aus Bodenbakterien die OPs und/oder deren Metabolite zu Phenol-Derivaten ab, die im zweiten Schritt durch die HELP-Reaktion in Luciferin-Analoga umgesetzt werden. Im dritten Schritt werden diese für die Erzeugung eines Biolumineszenz-Signals durch Glühwürmchen-Luciferase genutzt. Anhand der Wellenlänge lassen sich die verschiedenen OPs unterscheiden. Das Team konnte so fünf besonders toxische OPs, wie Parathion (E605), in Billionstel (ppt)-Konzentrationen ohne Probenvorbereitung direkt in Urin, Blutserum und Früchten nachweisen.

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