In der goldenen Falle
Hochempfindliche Raman-Spektroskopie kann einzelne Moleküle nachweisen.
Die medizinische Diagnostik fahndet nach Substanzen, die frühzeitig anzeigen, ob eine bedrohliche Krankheit entsteht oder wie sie verläuft. Oft sind die verräterischen Moleküle nur in winzigen Mengen vorhanden. Deshalb sind extrem sensitive Nachweisverfahren nötig. Forscher vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Potsdam und Berlin eine Metode entwickelt, mit der sie eine Gesamtzahl von gerade einmal 17 Farbstoffmolekülen nachgewiesen haben. Diese hochempfindliche Methode könnte einmal dazu genutzt werden, um einen winzigen Bluttropfen auf drohende Erkrankungen zu untersuchen.
Abb.: Die DNA-Dreiecke besitzen zwei exakt platzierte Anker, an denen zwei Gold-Nanopartikel in genau definiertem Abstand gebunden werden. (Bild: HZDR)
Die hohe Empfindlichkeit der Nachweismethode beruht auf einer maßgeschneiderten Umgebung für die nachzuweisende Substanz. Adrian Keller vom HZDR und seine Kollegen haben eine Art goldene Falle konstruiert, die Moleküle einfangen kann und damit deren Nachweis ermöglicht. Zwei winzige Goldpartikel wurden in genau definiertem Abstand zueinander auf einer Unterlage angeordnet. In der Lücke dazwischen verankerten die Wissenschaftler Moleküle eines als TAMRA bezeichneten Farbstoffs. Dann bestrahlten sie die Probe mit Laserlicht, um ein Raman-Spektrum zu erhalten. Normalerweise benötigt man bei der Raman-Spektroskopie eine große Anzahl an Molekülen für einen Nachweis. Befinden sich die Moleküle jedoch in der Nähe von metallischen Oberflächen, tritt ein erstaunlicher Effekt auf: Das Raman-Signal wird extrem verstärkt.
Diesen Effekt konnten die Forscher bei ihrer Probe beobachten. „Zwischen den Goldkugeln besteht ein elektrisches Feld. Wählt man die richtigen Abmessungen, kommt es zu einer Feldverstärkung zwischen den Partikeln und wir erhalten sogenannte hot spots,“ erklärt Keller. Das elektrische Feld regt dann zusammen mit dem einfallenden Laserlicht die Moleküle an. So kommt es zur verstärkten Raman-Streuung. Sind also Moleküle in diesen hot spots gebunden, kann man ihre charakteristischen Signale im Spektrum besonders gut erkennen.
Für die Konstruktion ihrer goldenen Falle wählten die Wissenschaftler die Erbsubstanz DNA. Denn die fadenförmigen Stränge lassen sich mit Hilfe vieler kurzer DNA-Abschnitte zu beliebig dimensionierten Objekten falten. Diese auch als DNA-Origami bezeichnete Technik beruht auf der Bindung zwischen komplementären Basen. Auf diese Weise haben die Wissenschaftler Dreiecke aus DNA erschaffen, deren Kantenlänge etwa 100 Nanometer beträgt. Aus einem solchen Dreieck ragen zwei exakt platzierte Anker hervor, an denen zwei Goldnanopartikel in genau definiertem Abstand gebunden werden.
In einem ersten Versuch überzogen die Forscher die winzigen Goldkugeln mit einer Art DNA-Pelz, der auch Farbstoffmoleküle enthielt. Dann fertigten sie ein Raman-Spektrum von der Probe an und erkannten, dass die TAMRA-Moleküle sehr gut nachweisbar sind. Da der Pelz auf den Gold-Nanopartikeln sehr dicht ist, schätzen Keller und seine Kollegen, dass 100 – 1000 Moleküle TAMRA zu dem erhaltenen Signal beitragen.
Doch die Methode ist noch weitaus empfindlicher. In weiteren Experimenten brachten die Forscher ein Paar nackter Goldnanopartikel auf einem DNA-Dreieck auf und verknüpften drei einzelne Farbstoffmoleküle über zusätzliche an der DNA lokalisierte Anker direkt innerhalb des hot spots. Auch in diesen Raman-Spektren ist das Signal des Farbstoffs gut zu erkennen. Als optimale Größe der Goldkügelchen ermittelten die Forscher 25 Nanometer. Selbst ein einziges Farbstoffmolekül ließ sich in der Lücke zwischen den beiden Goldteilchen noch nachweisen. Die Oberfläche, die mit dem Laserstrahl erfasst wurde, enthielt 17 DNA-Dreiecke. Das Signal stammt also von 17 einzelnen Molekülen.
„Wir haben gezeigt, dass man mit der Methode im Prinzip Einzelmoleküle detektieren kann“, sagt Keller. Nun wollen die Forscher den Aufbau weiter variieren. In der Lücke zwischen den Goldpartikeln soll beispielsweise ein Anker fixiert werden, der ein nachzuweisendes Molekül – beispielsweise ein Protein – binden kann. Jegliche Art von Biomolekülen könnte auf diese Weise analysiert werden, ob DNA, RNA oder Eiweißstoffe. Und weil jede Molekülsorte charakteristische Raman-Signale erzeugt, kann man mit entsprechend präparierten DNA-Dreiecken sogar auf mehrere Substanzen gleichzeitig testen. In Zukunft könnte das Nachweis-Prinzip auch auf einem Chip integriert werden und in der medizinischen Diagnostik Verwendung finden.
HZDR / AH
