Moleküle mit Schalter

Ähnlich wie der Schalter eines elektrischen Geräts lässt sich ein photo­chromes Molekül so steuern, dass es zwischen zwei Zuständen hin- und her­wechselt. Die Steue­rung geschieht durch Licht: Von der Wellen­länge des Lichts, das auf das Molekül trifft, hängt es ab, welche von zwei mög­lichen Struk­turen das Molekül annimmt. Der Wechsel zwischen den zwei Zuständen lässt sich durch die Kopp­lung des photo­chromen Moleküls mit stark fluores­zie­renden Mole­külen sichtbar machen. Nur wenn es sich in der „Ein“-Position befindet, leuch­ten diese Fluoro­phore kräftig auf.

Deshalb sind photochrome Moleküle unter anderem für die super­auf­lösende optische Mikro­skopie von großem Inte­resse. Denn um Struk­turen mit einem optischen Mikro­skop sicht­bar machen zu können, die kleiner als zwei­hundert Nano­meter sind, benö­tigt man einzelne Mole­küle, die in der Lage sind, zwischen einem sicht­baren „Ein“- und einem „Aus“-Zustand hin- und herzu­wechseln. Diese Mole­küle können dann als Sonden in die zu unter­suchenden Struk­turen einge­führt werden, die es sicht­bar zu machen gilt. Beson­ders vorteil­haft ist es, wenn der Wechsel zwischen den beiden Zuständen nicht bloß zufällig ein­tritt, sondern gezielt hervor­gerufen werden kann. Photo­chrome Mole­küle scheinen daher ideale Werk­zeuge zu sein, um Fort­schritte in der super­auf­lö­senden Mikro­skopie voran­zu­treiben.

Allerdings gibt es ein grundsätzliches Problem, das dieser Anwen­dung im Weg steht. Die Fluoro­phore haben die Eigen­schaft, dass sie auch spontan auf­leuchten – unab­hängig davon, im welchem Zustand sich das photo­chrome Molekül befindet. Solange un­sicher ist, ob das Auf­leuchten der Fluoro­phore zu­fällig geschieht oder durch eine Struk­tur­ände­rung des photo­chromen Moleküls, lässt sich das „Ein-“ und „Aus­schalten“ des Moleküls nicht ziel­ge­richtet hervor­rufen. Man gewinnt dann für die super­aufl­ösende optische Mikro­skopie keinen Vor­teil gegen­über den heute über­wiegend verwen­deten Farb­stoffen.

An diesem Punkt ist jetzt eine Forschergruppe um Jürgen Köhler und Mukundan Thelakkat an der Uni Bay­reuth einen entschei­denden Schritt weiter­ge­kommen. Die Wissen­schaftler haben das stochas­tische Blinken der Fluoro­phore einer­seits und ihr Auf­leuchten im Falle einer Struk­tur­änderung des photo­chromen Moleküls anderer­seits genauer unter­sucht. Dabei stellten sie fest, dass das Auf­leuchten durch einen geziel­ten Licht­strahl auf das photo­chrome Molekül mit einer Wahr­schein­lich­keit zwischen 70 und 90 Prozent ausge­löst wurde. In einigen spezi­ellen Fällen lag diese Wahr­schein­lich­keit sogar bei 95 Prozent.

Das Team konnte diese Ergebnisse durch Untersuchungen an einer neuen Molekül­ver­bindung er­zielen. Dabei handelt es sich um eine Triade, ein Dreier­bündnis von Mole­külen. Im Zentrum befindet sich ein photo­chromes Molekül, genauer: ein Molekül aus der Gruppe der Dithienyl-Cyclo­pen­tene. An dieses Molekül sind, zwei Armen ähn­lich, zwei stark fluores­zie­rende Mole­küle aus der Gruppe der Perylen­bisi­mide ange­hängt.

Einzelne photochrome Moleküle können jetzt nicht nur mit Licht ein- und ausge­schaltet werden, sondern die dadurch erziel­ten sicht­baren Effekte lassen sich erst­mals auch mit hoher Wahr­schein­lich­keit als solche identi­fi­zieren. Dadurch eröff­nen sich neue Anwen­dungs­mög­lich­keiten in der Forschung. „Die neuen Triaden können beispiels­weise wert­volle Unter­stützung leisten,“ erläutert Köhler, „wenn es darum geht, die Struk­turen von kom­plexen Mole­külen – beispiels­weise auch von bio­lo­gischen Systemen – aufzu­klären.“

U. Bayreuth / RK