Empfindlichste Methode zur Beobachtung einzelner Moleküle entwickelt
Mit der neuen markierungsfreien Technik lassen sich die Moleküle so leicht nachweisen, dass es fast so ist, als hätten sie Etiketten
Wissenschaftler der University of Wisconsin-Madison haben die bisher empfindlichste Methode zum Nachweis und zur Erstellung eines Profils eines einzelnen Moleküls entwickelt und damit ein neues Instrument geschaffen, mit dem sich besser verstehen lässt, wie die Bausteine der Materie miteinander interagieren. Die neue Methode könnte Auswirkungen auf so unterschiedliche Bereiche wie die Entdeckung von Arzneimitteln und die Entwicklung fortschrittlicher Materialien haben.
Das Herzstück dieser Studie ist eine Fasermikrokavität. Hier ist eine kleine konkave Vertiefung in der Oberfläche einer optischen Faser zu sehen. Die Forscher verwendeten eine Mikrokavität mit zwei konkaven Spiegeln, aber dieses Bild einer einzelnen konkaven Mikrokavität macht es einfacher, den Aufbau der Faserspiegel zu erkennen.
Photo by Carlos Saavedra / UW–Madison
Die technische Errungenschaft, die in der Fachzeitschrift Nature ausführlich beschrieben wird, stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem aufkeimenden Gebiet der Beobachtung einzelner Moleküle ohne die Hilfe von Fluoreszenzmarkierungen dar. Diese Markierungen sind zwar für viele Anwendungen nützlich, aber sie verändern Moleküle auf eine Weise, die ihre natürliche Wechselwirkung untereinander verschleiern kann. Mit der neuen markierungsfreien Methode lassen sich die Moleküle so leicht nachweisen, dass es fast so ist, als hätten sie Etiketten.
"Wir freuen uns sehr darüber", sagt Randall Goldsmith, ein Chemieprofessor an der UW-Madison, der die Arbeit leitete. "Die Erfassung von Verhaltensweisen auf der Ebene einzelner Moleküle ist ein erstaunlich informativer Weg zum Verständnis komplexer Systeme, und wenn man neue Werkzeuge entwickeln kann, die einen besseren Zugang zu dieser Perspektive ermöglichen, können diese Werkzeuge wirklich mächtig sein."
Zwar können Forscher nützliche Informationen aus der Untersuchung von Materialien und biologischen Systemen in größeren Maßstäben gewinnen, doch die Beobachtung des Verhaltens von und der Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen ist laut Goldsmith wichtig, um diese Informationen in einen Kontext zu stellen, der manchmal zu neuen Erkenntnissen führt.
"Wenn man sieht, wie Nationen miteinander interagieren, geht es immer um die Interaktionen zwischen einzelnen Molekülen", sagt Goldsmith. "Man käme gar nicht auf die Idee zu verstehen, wie Gruppen von Menschen miteinander interagieren, wenn man ignoriert, wie Individuen miteinander interagieren."
Goldsmith ist der Faszination einzelner Moleküle schon seit seiner Zeit als Postdoktorand an der Stanford University vor mehr als einem Jahrzehnt auf der Spur. Dort arbeitete er unter dem Chemiker W.E. Moerner, der 2014 den Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung der ersten Methode zur Beobachtung eines einzelnen Moleküls mit Licht erhielt.
Seit Moerners anfänglichem Erfolg haben Forscher auf der ganzen Welt neue Methoden entwickelt und verfeinert, um diese winzigen Materieteilchen zu beobachten.
Die Methode, die das UW-Madison-Team entwickelt hat, beruht auf einem Gerät, das als optischer Mikroresonator oder als Mikrokavität bezeichnet wird. Wie der Name schon sagt, ist der Mikrohohlraum ein extrem winziger Raum, in dem Licht sowohl räumlich als auch zeitlich eingefangen werden kann - zumindest für einige Nanosekunden -, wo es mit einem Molekül wechselwirken kann. Mikrokavitäten sind eher in Physik- oder Elektrotechniklabors zu finden, nicht in Chemielabors. Goldsmiths Geschichte der Kombination von Konzepten aus unterschiedlichen wissenschaftlichen Bereichen wurde 2022 mit einem Polymath-Preis von Schmidt Futures gewürdigt.
Mikrokavitäten bestehen aus unglaublich kleinen Spiegeln, die direkt auf einem Glasfaserkabel angebracht sind. Diese Glasfaserspiegel lassen das Licht innerhalb der Mikrokavität sehr schnell viele Male hin und her springen.
Die Forscher lassen Moleküle in den Hohlraum stürzen, lassen das Licht hindurch und können nicht nur die Anwesenheit des Moleküls nachweisen, sondern auch Informationen über das Molekül erfahren, z. B. wie schnell es sich durch Wasser bewegt. Anhand dieser Informationen lässt sich die Form oder Konformation des Moleküls bestimmen.
"Die Konformation auf molekularer Ebene ist unglaublich wichtig, vor allem, wenn man darüber nachdenkt, wie Biomoleküle miteinander interagieren", sagt Goldsmith. "Nehmen wir an, Sie haben ein Protein und ein niedermolekulares Medikament. Man möchte herausfinden, ob das Protein als Medikament geeignet ist, d. h., ob das Medikament eine wichtige Wechselwirkung mit dem Protein hat. Eine Möglichkeit, dies festzustellen, besteht darin, eine Konformationsänderung herbeizuführen.
Es gibt andere Möglichkeiten, dies zu tun, aber sie erfordern große Mengen an Probenmaterial und zeitaufwändige Analysen. Mit der neu entwickelten Mikrokavitätstechnik, so Goldsmith, "können wir potenziell ein Blackbox-Tool bauen, das uns die Antwort in wenigen Sekunden liefert."
Das Team, zu dem auch Lisa-Maria Needham gehörte, eine ehemalige Postdoktorandin, die jetzt Laborleiterin an der Universität Cambridge ist, hat ein Patent für das Gerät angemeldet. Goldsmith sagt, dass das Gerät und die Methoden nun in den nächsten Jahren verfeinert werden sollen. In der Zwischenzeit, so Goldsmith, denken er und seine Mitarbeiter bereits über die vielen Möglichkeiten nach, wie es nützlich sein könnte.
"Wir sind gespannt auf viele andere Anwendungen in der Spektroskopie", sagt er. "Wir hoffen, dass wir dies als Sprungbrett für andere Möglichkeiten, etwas über Moleküle zu erfahren, nutzen können.
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Originalveröffentlichung
Lisa-Maria Needham, Carlos Saavedra, Julia K. Rasch, Daniel Sole-Barber, Beau S. Schweitzer, Alex J. Fairhall, Cecilia H. Vollbrecht, Sushu Wan, Yulia Podorova, Anders J. Bergsten, Brandon Mehlenbacher, Zhao Zhang, Lukas Tenbrake, Jovanna Saimi, Lucy C. Kneely, Jackson S. Kirkwood, Hannes Pfeifer, Edwin R. Chapman, Randall H. Goldsmith; "Label-free detection and profiling of individual solution-phase molecules"; Nature, Volume 629, 2024-5-8
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