Nanoröhren als optische Stoppuhr für den Nachweis von Botenstoffen

Ein interdisziplinäres Forschungsteam aus Bochum und Duisburg hat einen neuen Weg gefunden, um den wichtigen Botenstoff Dopamin im Gehirn nachzuweisen.

Die Forschenden nutzten Kohlenstoff-Nanoröhren dafür. In früheren Studien hatte das Team um Prof. Dr. Sebastian Kruß bereits gezeigt, dass die Röhren in Anwesenheit von Dopamin heller leuchten. Nun zeigte die interdisziplinäre Gruppe, dass sich auch die Dauer des Leuchtens verändert. „Es ist das erste Mal, dass ein so wichtiger Botenstoff wie Dopamin auf diese Art und Weise nachgewiesen werden konnte“, sagt Sebastian Kruß.

„Wir sind davon überzeugt, dass sich dadurch eine neue Plattform eröffnet, die auch den besseren Nachweis von anderen humanen Botenstoffen wie Serotonin ermöglicht.“ Die Arbeiten waren eine Kooperation von Kruß’ beiden Arbeitsgruppen in der physikalischen Chemie an der Ruhr-Universität Bochum und am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS).

Die Ergebnisse beschreibt ein Team um Linda Sistemich und Sebastian Kruß von der Ruhr-Universität Bochum zusammen mit Kolleginnen und Kollegen vom IMS und der Universität Duisburg-Essen in der Zeitschrift Angewandte Chemie – International Edition, online veröffentlicht am 9. März 2023.

Mit Dopamin leuchten die Nanoröhren nicht nur heller, sondern auch länger

Bei den verwendeten Sensoren handelt es sich um Röhren aus Kohlenstoff, die 100.000-mal dünner sind als ein menschliches Haar. Werden sie mit sichtbarem Licht bestrahlt, können sie selbst Licht im Nah-Infrarotbereich, also bei einer für Menschen nicht sichtbaren Wellenlänge von 1.000 Nanometern, aussenden.

Vorangegangene Studien unter der Leitung von Sebastian Kruß hatten ergeben, dass bestimmte mit Biopolymeren modifizierte Kohlenstoff-Nanoröhren heller leuchten, wenn sie mit Dopamin in Berührung kommen. In der neuen Studie betrachteten die Forschenden, wie lange es dauert, bis die Nanoröhren dieses Licht im Nah-Infraroten ausgesendet haben. Dafür betrachteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das ausgesendete Licht als einzelne Lichtteilchen. Mit einer Stoppuhr erfassten sie die Zeit, die die Lichtteilchen von dem Zeitpunkt an brauchten, an dem die Nanoröhre bestrahlt wurde, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Lichtteilchen von der Nanoröhre ausgesendet wurden. „Um eine solche Zeitspanne zu messen, benötigen wir besondere Stoppuhren, denn die Aussendung des Lichts ist 100 Millionen Mal schneller als der Lidschlag eines Menschen“, veranschaulicht Linda Sistemich.

Diese sogenannte Lebenszeit des Lichtes ist charakteristisch für unterschiedliche Stoffe und stellt ein robusteres Signal im Vergleich zur Helligkeit dar. Während die Helligkeit davon abhängig ist, wie viele Schichten an Zellen das Licht durchdringen muss, bis es gemessen werden kann, bleibt die Lebenszeit des Lichts davon unbeeinflusst. Dadurch, dass jedes einzelne Lichtteilchen die Information über die Lebenszeit in sich trägt, ist jedes gemessene Teilchen ein Zugewinn an Information, unabhängig davon, wie viele Teilchen gemessen werden. „Das ist vor allem vorteilhaft, wenn man, wie wir, nicht nur in einfachen wässrigen Lösungen misst, sondern auch in komplizierten Umgebungen wie in der Zellkultur oder im Organismus selbst“, erklärt Sebastian Kruß, der an der Ruhr-Universität die Gruppe Funktionale Grenzflächen und Biosysteme leitet und Mitglied im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV, sowie im Graduiertenkolleg International Graduate School of Neuroscience ist.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Dopamin-Freisetzung von einzelnen Zellen erfasst. Die Methode wäre aber auch auf Netzwerke von Zellen oder Organismen anwendbar.

Dopamin ist ein zentraler Botenstoff im Gehirn

Das nachgewiesene Dopamin ist ein wichtiger Botenstoff im menschlichen Gehirn, über den die Zellen miteinander in Kommunikation treten. Dopamin steuert nicht nur das Belohnungszentrum, sondern ist auch die treibende Kraft für Bewegung, Koordination, Konzentration und geistige Leistungsfähigkeit. Wird zu wenig Dopamin ausgeschüttet, kann es zu Bewegungsstörungen und abnehmender Gedächtnisleistung kommen – Symptome, die beispielsweise bei der Parkinsonschen Krankheit auftreten.

Förderung

Die Arbeiten wurden gefördert durch die DFG, das Exzellenzcluster RESOLV und das Fraunhofer Attract Programm.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Sebastian Kruß
Funktionale Grenzflächen und Biosysteme
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 29946
E-Mail: sebastian.kruss@ruhr-uni-bochum.de

Originalpublikation:

Linda Sistemich, Phillip Galonska, Jan Stegemann, Julia Ackermann, Sebastian Kruss: Near-infrared lifetime imaging of biomolecules with carbon nanotubes, in: Angewandte Chemie International Edition, 2023, DOI: 10.1002/anie.202300682, https://doi.org/10.1002/anie.202300682

http://www.ruhr-uni-bochum.de/