Neue Methode zur Messung molekularer Abstände mit Hilfe von Lichtstreuung

Veröffentlichung im Wissenschaftsjournal „Nature Biotechnology“ – Molekulare Prozesse können nun beliebig lange beobachtet werden

Die Beobachtung kleinster Teilchen und einzelner Moleküle, aus denen sich unsere belebte und unbelebte Materie zusammensetzt, ist mit herkömmlichen optischen Mikroskopen meistens nicht möglich. Eine neue Methode, als Plasmonenkopplung bezeichnet, erlaubt es nun, Abstände im Nanometerbereich zu erfassen. Damit ist auch die Beobachtung von langsam ablaufenden Prozessen beliebig lange möglich. Das Wissenschaftsjournal „Nature Biotechnology“ stellt die neue Methode von Prof. Dr. Carsten Sönnichsen und Kollegen in seiner neuesten Ausgabe vor (Nature Biotechnologie 23: 741-745).

Sönnichsen ist seit Anfang des Jahres Juniorprofessor am Institut für Physikalische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Zuvor hatte er bereits an der University of California in Berkeley und dem Lawrence Berkeley National Laboratory über Abstandsmessungen im Nanometerbereich – die Skala reicht von einigen millionstel Millimetern bis zu einem tausendstel Millimeter, das ist bis zu 100.000-mal kleiner als ein menschliches Haar – geforscht. „Mit Hilfe der Plasmonenkopplung können wir beispielsweise sehen, welche Prozesse in einer Zelle genau ablaufen“, erklärt der Physiker. So kann beobachtet werden, wie sich etwa verschiedene Proteine an einen DNA-Strang anlagern. Beobachtungen, die bisher nur für wenige Sekunden möglich waren, können nun beliebig lange verfolgt werden. Dadurch können auch Prozesse, die sehr langsam ablaufen, untersucht werden.

Grundlage der neuen Methode ist die Lichtstreuung an nanoskopisch großen Gold- und Silber-Teilchen. Gold- und Silber-Nanopartikel leuchten farbig, wenn sie mit dem weißen Licht einer Halogenlampe in einer bestimmten Anordnung bestrahlt werden. Je nach Größe und Form der Nanoteilchen ändert sich die Farbe des Metalls. Zum Beispiel sehen Suspensionen von kleinen Gold-Nanopartikeln in Wasser rot aus – im Gegensatz zu dem gelblichen Schimmer, den Gold normalerweise zeigt. Bei einer stärkeren Zusammenballung dieser Partikel ändert sich die Farbe sogar noch stärker hin zu tief blau bis violett. Diese Phänomene sind schon lange bekannt und seit über 100 Jahren prinzipiell theoretisch verstanden. „Wir nutzen diese Eigenschaften auf eine neue Art und Weise für die Erforschung einzelner biologischer Moleküle“, so Prof. Sönnichsen.

Hierbei werden die Gold- und Silberteilchen als Abstandssensoren eingesetzt. Indem sich ein Teilchen, bildlich gesprochen, rechts und ein weiteres links von einem Molekül anlagert, entsteht eine Art chemische Hantel. Wenn sich nun an dem Molekül etwas ändert oder es sich bewegt und dadurch eine Abstandsänderung zwischen dem rechten und linken Metallteilchen erfolgt, wird sich auch die ausgestrahlte Farbe ändern. Denn die Farbe ist abhängig vom Abstand der Teilchen. Da beide Teilchen und ihr Abstand weitaus kleiner sind als die Auflösungsgrenze eines optischen Mikroskops, nimmt man sowohl die einzelnen Partikel als auch die Partikelpaare als jeweils nur einen Punkt war. Die Änderung selbst ist also nur als Farbänderung zu beobachten. Der Vorteil gegenüber herkömmlichen molekularen Sensoren auf Basis des Förster Energietransfers zwischen zwei Farbstoffmolekülen (FRET) ist die unbegrenzte Lebensdauer der Partikel, die so eine kontinuierliche Beobachtung ermöglichen. Das neue Instrument, so die Einschätzung von Fachkollegen, könnte sich als eine sehr hilfreiche Ergänzung für den Nanotechnologie-Werkzeugkasten erweisen.