Nanoskopische Lämpchen
Lipidbeschichtete Nanokristalle als lokale Lichtquellen für die Fluoreszenzanregung spezifisch gebundener Proteine
Die Miniaturisierung hält Einzug in Diagnostik und (Bio-)Analytik. Verfahren im Minimaßstab, wie DNA-Chips und das Labor im Kreditkartenformat, sind längst in der Anwendung. Schweizer Forscher haben nun eine Art Lampe für nanoskopische Methoden entwickelt.
Des Pudels Kern sind Nanokristalle aus halbleitenden Materialien: Das Forscherteam um Horst Vogel an der Eidgenösischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) wählte grün fluoreszierende Kriställchen aus Cadmiumselenid, die sie in eine dünne Schicht aus Lipid-Molekülen einhüllten, wie sie auch in Zellmembranen vorkommen. Die Lipidschicht schützt die Nanokristalle vor äußeren Einflüssen und macht sie wasserlöslich, ohne ihre Fluoreszenz zu unterbinden. Im Gegensatz zu anderen Beschichtungen haben die Lipidschichten einen besonderen Vorteil: Sie lassen sich auf einfache Weise mit biochemischen Funktionen ausstatten.
Um die Leistungsfähigkeit ihres Konzepts zu testen, stattete das EPFL-Team die beschichteten Leuchtkristalle mit zwei verschiedenen Sorten molekularer "Haken" aus, die ganz spezifisch nur an je einen Typ von "Öse" binden. Die Wissenschaftler "bedruckten" ein Glasplättchen mit einem zweidimensionalen Mikromuster aus speziellen Proteinkomplexen, die die passenden Ösen (das Protein Streptavidin) für den ersten Hakentyp (das Vitamin Biotin) tragen. Die Leuchtkristalle binden dann selektiv an dieses vorgegebene Muster.
"Unsere winzigen Lämpchen können also relativ einfach mit Mikrometer-Präzision in definierte Strukturen angeordnet werden," sagt Vogel, "so wie sie etwa für eine Analytik mit DNA- oder Protein-Chips gebraucht wird." Nun kommt der zweite Haken ins Spiel (Nitrilotriessigsäure), er könnte später als Angel für markierte Analytmoleküle dienen. Als Beispielsubstanz gaben die Forscher ein rot fluoreszierendes Protein, das die passende Öse (Hexahistidin) trägt, auf den Glasträger. Sofort heftet sich das Protein an die Kristalle. Werden die Leuchtkristalle nun mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, kommen sie in einen angeregten Zustand.
Normalerweise würden sie diese Energie in Form von grüner Fluoreszenz wieder abstrahlen. Stattdessen geben die "Nanolämpchen" ihre "Energiepakete" nun aber strahlungslos direkt an die angeknüpften Proteine weiter. Die Pakete sind genau das, was die Proteine brauchen, um ihrerseits angeregt zu werden. Beim Zurückfallen in den Grundzustand strahlen sie die Energie in Form einer roten Fluoreszenz ab, die detektiert werden kann. Der Clou: Die strahlungslose Energieübertragung von einem Nanolämpchen auf die Proteine funktioniert nur, wenn ihr Abstand nicht mehr als 10 nm beträgt. "So werden ausschließlich spezifisch gebundene Proteine zum Fluoreszieren gebracht," sagt Vogel, "eine derartig hohe Sensitivität kann mit konventionellen Lichtquellen nicht erreicht werden."
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