Mikrochips für Beobachtung einzelner Moleküle

Einsatz in der Suche nach wirksamen Medikamenten

Forscher der Cornell University haben eine Technik entwickelt, mit der einzelne Biomoleküle bei der Arbeit beobachtet werden können. Möglich gemacht wurde die neue Mikroskopier-Technik durch Nanofabrikation. Dabei wird Licht via winzigen Löchern auf einem Mikrochip auf ein Volumen konzentriert, in das lediglich wenige Moleküle passen. Die Technik bietet laut Wissenschaftlern eine neue Methode für die DNA-Sequenzierung, bei der der genetische Code von einem einzelnen DNA-Molekül abgelesen werden kann. Zurzeit ist es möglich, die Bindung einzelner Bausteine der DNA an ein Enzym in Realtime zu beobachten. In Zukunft könnte es auch die Entwicklung von Medikamenten unterstützen.

Der Mikrochip aus Glas und Aluminium ist mit rund zwei Mio. Löchern, einige z.T. mit einem Durchmesser von nur 40 Nanometern und damit unterhalb der Wellenlänge des in diesem Fall eingesetzten grünen Lichtes, durchsetzt. Auf das Glas brachte das Team unter der Leitung von Watt Webb eine Lösung, die mit einem Farbstoff markierte Erbgut-Bausteine, so genannte Nukleotide, und das Enzym enthält, auf. Erfolgt durch die Rückseite des Glases eine Lichtbestrahlung, leuchten die Nukleotide nur dann auf, wenn sie zufällig durch eines der Löcher im Mikrochip wandern. Die Wanderung dauert nur wenige Mikrosekunden. „Stoßen die Moleküle auf ein Enzym und verbinden sich, dauert der Aufenthalt in den Löchern bis zu einer Millisekunde“, erklärt Co-Autor Michael Levene.

Vorteil der geringen Größe der Löcher ist, dass das beleuchtete Volumen so klein ist, dass selbst bei hochkonzentrierten Lösungen nur sehr wenige Moleküle darin Platz haben. Bislang war die Betrachtung einzelner Moleküle nur in verdünnten Lösungen mit millionenfach-geringerer Konzentrationen als im Inneren lebender Zellen möglich. Limitierend wirkt Licht: Es kann mittels Linsen nur auf einen Bereich von rund der halben Wellenlänge fokussiert werden. Ein Großteil der Biomoleküle ist aber deutlich kleiner.