KI und Hefe detektieren PFAS im Wasser in Echtzeit
Die zunehmende Belastung des Trinkwassers mit per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen, umgangssprachlich als Ewigkeitschemikalien bekannt, stellt kommunale Wasserversorger in den Vereinigten Staaten vor massive regulatorische und finanzielle Herausforderungen. Angesichts strengerer Auflagen der US-Umweltbehörde EPA und der Tatsache, dass nahezu die Hälfte der öffentlichen Wasserversorgungen nachweislich mit PFAS kontaminiert ist, sind bisherige Labormethoden wie die Massenspektrometrie aufgrund hoher Kosten und mehrwöchiger Wartezeiten nicht mehr praktikabel. Um dieses Problem zu lösen, entwickeln Forschende der Columbia University und des City College of New York ein biohybrides Sensorsystem, das KI-gestütztes Proteindesign, genetisch veränderte Hefe und mikroelektronische Bauteile kombiniert. Das Kernelement des Systems ist die Hefe Saccharomyces cerevisiae, die durch synthetische Biologie zu einem hochempfindlichen Biosensor umprogrammiert wurde. Durch den Einbau künstlicher Rezeptoren, die spezifisch an PFAS-Moleküle binden, und einer Kopplung mit fluoreszierenden Proteinen leuchtet die Zelle bei Kontakt mit den Schadstoffen grün. Die Intensität des Signals korreliert direkt mit der Konzentration der Chemikalien. Um diesen Prozess signifikant zu beschleunigen, setzen die Forschenden um Virginia Cornish und Mohammed AlQuraishi auf künstliche Intelligenz. Während das manuelle Design solcher Rezeptoren Jahre benötigte, ermöglicht der KI-Einsatz nun einen Design-Build-Test-Zyklus von nur wenigen Wochen. Die eigentliche Innovation liegt in der Kombination der biologischen Komponente mit einer festkörperbasierten Ausleseelektronik. Ken Shepards Labor integriert die gefriergetrockneten Hefezellen in ein papierartiges Trägermaterial und koppelt diese mit CMOS-Sensorchips, die ursprünglich für Computer-Gehirn-Schnittstellen entwickelt wurden. Dieser Chip wandelt das optische Signal der Hefe in elektrische Daten um und ermöglicht so die drahtlose, Echtzeit-Ablesung eines Handsensors. Nutzer können einen solchen Einwegstreifen einfach in die Wasserprobe tauchen und erhalten sofort einen quantitativen Konzentrationswert. Die ökonomischen und operativen Auswirkungen dieses Durchbruchs sind erheblich. Alex Rosenthal, Spezialist für Umweltinfrastruktur, hebt hervor, dass die Technologie die Überwachungskosten für die etwa 150.000 öffentlichen Wassersysteme in den USA drastisch senken wird. Statt kostspieliger Probenversand und Wartezeiten erhalten Wasseraufbereitungsanlagen nun die Möglichkeit, Reinigungsprozesse in Echtzeit zu überwachen und Filterkomponenten bedarfsgerecht auszutauschen. Fachleute aus der Wasserbranche sehen in dem System bereits jetzt ein unverzichtbares Werkzeug zur Optimierung der Infrastruktur. Darüber hinaus deuten die Forschenden auf weitreichende Anwendungsmöglichkeiten über den Umweltschutz hinaus hin. Die erfolgreiche Kopplung biologischer Erkennungssysteme mit Halbleitersensorik könnte eine neue Industrie für yeast-basierte Sensoren im medizinischen und diagnostischen Bereich etablieren. Mit der finalen Validierung für spezifische PFAS-Verbindungen wie PFOA und PFOS ist das Team auf einem direkten Weg zur Marktreife, was die Trinkwasserüberwachung grundlegend verändern könnte.
