Proteine auf Halbleitern sicher diagnostizieren

Mit einer neu entwickelten Untersuchungsmethode ist es erstmals möglich, Proteinbindungen auf Halbleitermaterialien anhand von Ladungsunterschieden elektrochemisch aufzuspüren. Dies haben Wissenschaftler der Unis Heidelberg und 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 Lipid-Monolagen bestehen – zweidimensionalen Molekülverbänden, die ein wesentlicher Bestandteil von Zellwänden sind. Diese Membranen brachten die Forscher auf Nanostrukturen des Halbleitermaterials Galliumnitrid 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 Erkenntnisse 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 aufgebracht. Anschließend werden die Quantenpunkte mit Licht angeregt, sodass 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 zusammen.

Um die Forschungen auf dem Gebiet der optischen Detektion zu intensivieren, hat Motomu Tanaka von der Ruperto Carola im Rahmen des deutsch-japanischen Universitätskonsortiums Hekksagon die Bildung eines internationalen interdisziplinären Zusammenschlusses initiiert. Ihm gehören neben den Heidelbergern Arbeitsgruppen der Universitäten Kyoto, Gießen und Barcelona sowie Partner der CEA an.

RKU / OD