Suche nach der Nadel im Molekülhaufen

Nano-Rezeptoren erkennen selektiv einzelne Moleküle

Veröffentlicht am: Donnerstag, 15. März 2012, 12:27 Uhr (064)

FRANKFURT. In der Natur gibt es viele Beispiele für hochsensitive Sensoren, die selektiv auf einzelne Moleküle ansprechen. Eines davon ist die menschliche Nase. Inspiriert von diesen natürlichen Vorbildern hat ein Forscherteam des Walter Schottky-Instituts und des Institute for Advanced Study an der Technischen Universität München (Gruppe Dr. Ulrich Rant) und des Instituts für Biochemie der Goethe Universität (Gruppe Prof. Robert Tampé) jetzt ein System aus festkörperbasierten Nanoporen entwickelt, mit dem einzelne Moleküle gezielt detektiert werden können. Gegenüber früheren Arbeiten auf diesem Gebiet ist es gelungen, die Selektivität des Sensors deutlich zu erhöhen bei gleichbleibender Empfindlichkeit zu erhöhen. Damit eröffnen sich vielfältige Anwendungen in der Nanodiagnostik, etwa die Analyse der Proteine in einer Körperzelle.

Wie die Forscher in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, bohrten sie mithilfe eines Elektronenstrahls winzige Löcher in eine dünne Halbleitermembran aus Siliziumnitrid (SiN). Der Öffnungsdurchmesser der Nanoporen ist so bemessen, dass die zu detektierenden Moleküle sie nur einzeln passieren können (25 Nanometer, entsprechend 1/4000 eines Haardurchmessers). Um sicher zu gehen, dass Biomoleküle nicht zufällig an Unebenheiten der Pore binden, wird diese mit einer selbstorganisierenden Schicht ausgekleidet, an der Proteine nicht haften bleiben. In dieser Schicht ist der Rezeptor aus mehreren Nitrilotriessigsäure-Molekülen verankert. Er kann Biomoleküle, die durch ein „Etikett“ aus sechs Aminosäuren gekennzeichnet sind, hochselektiv erkennen und binden.

Um feststellen zu können, ob eine Bindung stattgefunden hat, schwimmt die Halbleitermembran mit den Nano-Detektoren in einer Salzlösung. Legt man eine elektrische Spannung an, strömen die Ionen der Lösung durch die Poren. Sobald aber das zu detektierende Biomolekül an den Rezeptor bindet, verengt sich die Pore und der Strom nimmt ab. Auf diese Weise kann das An- und Abbinden eines Moleküls kann in Echtzeit beobachtet werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass sich nur ein einziger Rezeptor in der Pore befindet, was nun erstmals mit einer künstlich hergestellten Pore gelang. Dabei konnte die anorganische Pore mit der biologischen Funktionalität des eingefügten Rezeptors ausgestattet werden. In einem weiteren Schritt wendeten die Münchner Physiker und Frankfurter Biochemiker das Verfahren auf die Antikörper-Immunerkennung an.

Die möglichen Anwendungsgebiete dieses biomimetischen sensorischen Systems sind vielversprechend. So könnten schwierige Probleme in der Proteomik mit diesem Ansatz realisierbar sein, etwa die Analyse der Proteinzusammensetzung einer einzelnen Zelle. Zum anderen könnte dieses System als schneller und sensitiver Biosensor für das Screening von Pharmazeutika oder zur Detektion von Kampfmitteln dienen. „Die Zukunft bleibt spannend, da die Natur uns weiterhin in Selektivität und Spezifität voraus ist. Deshalb sind weitere Verbesserungen im Feld von sensorischen Systemen auf molekularer Ebene nötig“, erklärt Prof. Robert Tampé vom Institut für Biochemie. „Die Zusammenarbeit des Teams aus München und Frankfurt ist aber ein wichtiger Schritt in der Biosensorik und Nanodiagnostik auf Einzelmolekülebene.

Publikation: Ruoshan Wei et. al.: Stochastic sensing of proteins with receptor-modified solid-state nanopores, Nature Nanotechnology, online erschienen am 11. März 2012, DOI: 10.1038/NNANO.2012.24

Bilder zum Download finden Sie hier.

Bildtexte:
Bild 1: Detektion von Proteinen auf Einzelmolekülebene in künstlichen Rezeptor-modifizierten Silizium-Nanoporen.

Bild 2: Diese künstlerische Darstellung zeigt, wie die Identität einzelner Proteine in einer künstlichen Nanopore festgestellt wird. Das in der Pore verankerte „Rezeptor-Protein“ (rot-braun) bindet vorübergehend einen IgG-Antikörper (hellbraun), der durch die Pore wandert. Die Dauer der Wechselwirkung kann über den veränderten Stromfluss gemessen werden. Sie gibt auch Auskunft über die biologische Funktion des Antikörpers. Die weißen Haare stellen eine selbstorganisierte Molekülschicht dar, die dazu dient, die Oberfläche des Goldfilms biologisch zu inaktivieren.

Bildrechte: Christoph Hohmann /NIM

Informationen: Prof. Robert Tampé, Institut für Biochemie, Campus Riedberg, Tel: (069) 798- 29475, tampe@em.uni-frankfurt.de. Dr. Ulrich Rant, Walter Schottky Institut, Technische Universität München, Tel: (089) 298 11578, rant@wsi.tum.de .