Molekülkontrolle am Nano-Sensor
Inspiriert von den Geruchsrezeptoren der menschlichen Nase hat ein Forscherteam ein System aus Nanoporen entwickelt, mit dem sich einzelne Moleküle identifizieren lassen.
Die Entwicklung hochauflösender Nachweismethoden auf molekularer Ebene schreitet immer weiter voran. Inzwischen gibt es viel versprechende Ansätze für neue Nanowerkzeuge, mit denen sich selbst einzelne Moleküle identifizieren lassen. Eines dieser Verfahren arbeitet nach dem Prinzip einer Nanoschleuse, die Moleküle nur einzeln passieren lässt. Einem Wissenschaftler-Team aus München und Frankfurt ist es jetzt gelungen, einen solchen Nano-Sensor zusätzlich mit biologischen Funktionen auszustatten, so dass auch die Identität der durchgeschleusten Moleküle ermittelt werden kann.
Abb.: Antikörper-selektive Nanopore: Diese 3D-Darstellung zeigt wie die Identität einzelner Proteine in einer modifizierten künstlichen Nanopore untersucht werden.. (Bild: C. Hohmann/NIM)
Mit Hilfe eines Elektronenstrahls bohrten die Wissenschaftler winzige Löcher mit einem Durchmesser von 25 Nanometer in eine dünne Halbleitermembran aus Siliziumnitrid. Diese Öffnung war gerade groß genug für ein einzelnes Molekül. Um sicherzugehen, dass Biomoleküle nicht zufällig an Unebenheiten der Pore banden, wurde diese mit einer selbstorganisierenden Schicht ausgekleidet, an der Proteine nicht haften blieben. In dieser Schicht war der Rezeptor aus mehreren Nitrilotriessigsäure-Molekülen verankert. Dieser Rezeptor erkannte und band spezifische Moleküle, die vorab mit einem „Etikett“ aus sechs Aminosäuren (Histidin) ausgezeichnet worden waren. Nach dem gleichen Prinzip konnten aber auch ganze Proteine in der Pore eingesetzt werden, die wiederum als Torwächter andere Proteine beim Durchtritt „kontrollierten“ und gegebenenfalls für eine bestimmte Zeit banden. Die anorganische Pore übernahm damit die biologische Funktion des verankerten Proteins. Auf diese Weise konnten die Forscher auch Subklassen von IgG-Antikörpern aus Ratten und Hamstern unterscheiden.
Die Messungen an der Nanoschleuse liefen in einer Salzlösung ab. Legte man eine elektrische Spannung an, strömten die Ionen der Lösung durch die Poren. Sobald sich das passende Biomolekül an den Rezeptor band, verengte sich die Pore und der Stromfluss nahm ab. Auf diese Weise konnte das An- und Abbinden eines bestimmten Moleküls in Echtzeit beobachtet werden. Voraussetzung dafür war allerdings, dass sich nur ein einziger Rezeptor in der Pore befand – was den Wissenschaftlern mit diesem Verfahren zum ersten Mal gelang.
Abb.: Künstliche Nanopore wird mit einem biologischen Rezeptor modifziert: Schematische Darstellung einer metallbeschichteten künstlichen Nanopore, die chemisch mit einem einzigen Rezeptor funktionalisiert ist. Damit können einzelne Proteine spezifisch an die Pore angebunden werden. Das An- und Abbinden des Proteins wird in der Stromkurve detektiert. (Bild: U. Rant/TU München)
Die möglichen Anwendungsgebiete dieses biomimetischen sensorischen Systems sind vielversprechend. So könnten schwierige Probleme in der Proteomik mit diesem Ansatz realisierbar sein, etwa die Analyse der Proteinzusammensetzung einer einzelnen Zelle. Zum anderen könnte dieses System als schneller und sensitiver Biosensor für das Screening von Pharmazeutika oder zur Detektion von Biowaffen dienen.
„Bisher richtet sich die Nanoporenforschung vor allem auf DNA-Detektion und Sequenzierung. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Nanoporen das Potenzial haben, sich zu einem wichtiges Werkzeug in der Proteinforschung zu entwickeln“, erklärt Ulrich Rant vom Walter-Schottky-Institut und Institute for Advanced Study an der TU München. „Und vielleicht finden Nanoporen-Proteinsensoren schon bald Anwendung in der medizinischen Diagnostik. Vorstellbar wäre zum Beispiel, bei Patienten molekulare Krankheitsmarker nachzuweisen, die in nur sehr geringen Konzentrationen vorkommen.“
TUM / PH
