Rastertunnelmikroskop liest DNA-Molekül

Für eine lange DNA-Kette wurde die Sequenz der Guanin-Basen mit einem Rastertunnelmikroskop bestimmt.

Das Alphabet des Lebens hat vier Buchstaben: A, C, G und T. Sie stehen für die Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, durch deren Reihenfolge in der zweistrangigen DNA die Erbinformation verschlüsselt ist. In einem einzelnen DNA-Strang lässt sich der weniger als 1 nm große Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Basen mit einem Rastertunnelmikroskop noch auflösen. Ein intensiv verfolgtes Ziel ist es, mit dem Rastertunnelmikroskop auch die einzelnen Basen fehlerfrei zu identifizieren und damit ihre Sequenz in einer DNA direkt zu bestimmen. Zwei japanische Forscher sind diesem Ziel jetzt ein gutes Stück näher gekommen.

Hiroyuki Tanaka und Tomoji Kawai von Universität von Osaka haben zunächst kurze DNA-Stücke auf einer Kupferoberfläche untersucht, die aus jeweils sechs Basen in bekannter Reihenfolge bestanden. Dazu legten sie zwischen der Spitze eines Rastertunnelmikroskops und der Kupferoberfläche eine Spannung an, deren Wert sie zwischen -2 V und +2 V variierten konnten. Die Spitze überstrich den von den Molekülen bedeckten Bereich der Oberfläche und nahm dabei den positionsabhängigen Tunnelstrom auf. Da Guanin ein besonders kleines Ionisierungspotential hat und sein Tunnelstrom relativ groß ist, fiel es als heller Punkt in der mikroskopischen Aufnahme auf. Tatsächlich hatten DNA-Moleküle mit den Basensequenzen TTGACC oder TTGGCC einen bzw. zwei helle Punkte.

Nach diesem Test untersuchten die beiden Forscher mit ihrem Verfahren die bekannte Basensequenz von M13mp18, einem 7249 Basen langen einstrangigen DNA-Stück eines Virus. Dabei mussten sie zwei Probleme lösen. Da die DNA nicht aus der Gasphase abgeschieden werden kann, muss sie in einer Flüssigkeit gelöst auf die Unterlage gebracht werden. Doch die gelösten DNA-Stränge verknäueln, sodass die Basensequenz nicht mehr gelesen werden kann. Zum anderen konnten Verunreinigungen auf der DNA die fehlerfreie Bestimmung der Basensequenz vereiteln.

Abb.: Ausschnitt einer mit dem Rastertunnelmikroskop gelesenen Guanin-Sequenz: Die Abbildung des Tunnelstroms I (oben) wie auch des differentiellen Tunnelstroms dI/dV (Mitte) zeigt helle Punkte wo Guanin in der DNA sitzt (unten). (Bild: H. Tanaka und T. Kawai, Nature)

Um gestreckte und unverknäulte DNA-Stränge auf die Kupferoberfläche zu bringen, spritzen die Forscher die in Wasser gelösten DNA-Moleküle nach einem patentierten Verfahren auf die um 45° geneigte Oberfläche. Die Aufnahme mit dem Rastertunnelmikroskop zeigte einzelne gestreckte DNA-Stränge, die in Richtung des Oberflächengefälles orientiert waren. Auch auf den Strängen waren isolierte helle Punkte zu erkennen. Wurde die Folge von hellen Punkten und dunkleren Zwischenbereichen mit der bekannten Basensequenz der viralen DNA verglichen, so zeigte sich eine nahezu perfekte Übereinstimmung: Fast jeder helle Punkt entsprach einem Guanin.

Doch gelegentlich führten Verunreinigungen dazu, dass helle Punkte auch dort auftraten wo kein Guanin saß. Dass es sich um Verunreinigungen handelte, zeigten die Forscher, indem sie die Spannung zwischen der Oberfläche und der Mikroskopspitze veränderten und das Tunnelspektrum des DNA-Stranges an der dubiosen Stelle maßen. Dieses Spektrum unterschied sich von dem des Guanins. Zur Vereinfachung konnten die Forscher zwei Bilder des DNA-Stranges für zwei ausgewählte Spannungen aufnehmen, bei denen sich die Tunnelströme für das Guanin besonders stark unterschieden. Auf beiden Bildern verrieten sich die Verunreinigungen als konstant helle Punkte während die Guaninstellen jeweils unterschiedlich hell waren. Die Forscher hoffen, ihr Verfahren so weiterentwickeln zu können, dass sich auch die anderen drei Basen zweifelsfrei identifizieren lassen.

RAINER SCHARF

KP