Proteinen auf der Spur

Mit einer neu entwickelten Untersuchungsmethode ist es erstmals möglich, Proteinbindungen auf Halbleitermaterialien anhand von Ladungsunterschieden elektrochemisch aufzuspüren.

Dies haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Gießen gezeigt. Nun arbeiten die Physiker an optischen Verfahren, um Proteinbindungen zum Beispiel unter einem Mikroskop direkt nachweisen und lokalisieren zu können.

Ein solches Verfahren könnte neue Anwendungen in der medizinischen Forschung und Diagnostik ermöglichen.

Grundlage der Methode zum elektrochemischen Nachweis von Proteinbindungen sind im Labor hergestellte biologische Membranen, die aus sogenannten Lipid-Monolagen bestehen – zweidimensionalen Molekülverbänden, die ein wesentlicher Bestandteil von Zellwänden sind. Diese Membranen brachten die Forscher auf Nanostrukturen des Halbleitermaterials Galliumnitrid (GaN) auf, das für seine chemische und elektrochemische Stabilität sowie seine besonderen optoelektronischen Eigenschaften bekannt ist.

In der so gewonnenen Hybridstruktur aus Biomembran und GaN konnten die Wissenschaftler im Anschluss erstmals Proteinbindungen mithilfe eines elektrochemischen Ladungssensors aufspüren. Der Sensor misst Ladungsunterschiede, die entstehen, wenn Proteine an den sogenannten Lipid-Ankern der Membran anbinden. Die Entwicklung der Biomembran/GaN-Hybridstruktur basiert auf einer Arbeit von Nataliya Frenkel, Doktorandin in der von Prof. Dr. Motomu Tanaka geleiteten Forschungsgruppe Physikalische Chemie von Biosystemen am Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg.

Für die Anwendung des Sensors arbeiteten die Heidelberger Wissenschaftler mit Forschern aus der Halbleiterphysik der Universität Gießen unter Leitung von Prof. Dr. Martin Eickhoff zusammen.

Die Erkenntnisse der Wissenschaftler, die im Fachmagazin „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht wurden, bilden nun die Grundlage für die Entwicklung neuer Verfahren, mit denen sich Proteinbindungen auch optisch nachweisen lassen. Dazu wird die biologische Membran auf GaN-basierten Quantenpunkten – Strukturen mit einer Größe von wenigen Nanometern – aufgebracht.

Anschließend werden die Quantenpunkte mit Licht angeregt, so dass sie Strahlung abgeben. Binden nun Proteine an die Membran an, ändert sich die Intensität der Abstrahlung. Den Nachweis, dass sich diese Methode prinzipiell eignet, um Proteinbindungen optisch aufzuspüren, konnten die Forscher bereits erbringen. Bei der Umsetzung arbeiten sie mit der französischen Forschungsinstitution CEA, dem Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, zusammen.

Um die Forschungen auf dem Gebiet der optischen Detektion zu intensivieren, hat Prof. Tanaka im Rahmen des deutsch-japanischen Universitätskonsortiums HeKKSaGOn die Bildung eines internationalen interdisziplinären Zusammenschlusses initiiert. Ihm gehören neben den Heidelberger Wissenschaftlern Arbeitsgruppen der Universitäten Kyoto, Gießen und Barcelona sowie Partner der CEA an. Die Kooperation der Forscher wird mit einer zweijährigen Anschubfinanzierung durch das SPIRITS-Programm der Universität Kyoto gefördert.

Originalpublikation:
N. Frenkel, J. Wallys, S. Lippert, J. Teubert, S. Kaufmann, A. Das, E. Monroy, M. Eickhoff, and M. Tanaka: High Precision, Electrochemical Detection of Reversible Binding of Recombinant Proteins on Wide Band Gap GaN Electrodes Functionalized with Biomembrane Models. Advanced Functional Materials, Volume 24, Issue 31, pages 4927-4934 (20 August 2014), doi: 10.1002/adfm.201400388

Kontakt:
Prof. Dr. Motomu Tanaka
Universität Heidelberg
Physikalisch-Chemisches Institut
Telefon (06221) 54-4916
tanaka@uni-heidelberg.de

Prof. Dr. Martin Eickhoff
Justus-Liebig-Universität Gießen
I. Physikalisches Institut
Telefon (0641) 99-33120
eickhoff@physik.uni-giessen.de

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