Nanophotonische Antennen decken Krankheitsmechanismen im Nanomaßstab auf

Bald wird es möglich sein, die lebende Zelle voll zu verstehen und dies dank der Fortschritte in der Nanophotonik. EU-Forschern ist es gelungen, Nanoantennen in die Biologie zu verlagern - dies war bisher noch nicht gelungen. Die Zusammenarbeit mit großen Industrieakteuren hat bereits begonnen.

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Die Beobachtung biologischer Prozesse in der lebenden Zelle ist so etwas wie der heilige Gral der Molekular- und Zellbiologen. Diese Prozesse, an denen Interaktionen zwischen Molekülen im Nanomaßstab beteiligt sind, sind mit der heutigen Abbildungstechnologie nur schwer zu visualisieren und dasselbe gilt für Interaktionen zwischen Proteinen, Nukleinsäuren oder Enzymen. „Es gibt viele Beispiele für die Grenzen der heutigen Technologie“, sagt Dr. Maria Garcia-Parajo, Koordinatorin von NANO-VISTA (Advanced photonic antenna tools for biosensing and cellular nanoimaging) und Teamleiterin bei ICFO in Spanien. „Wir haben beispielsweise ein begrenztes Wissen darüber, wie sich Rezeptoren in einer Zellmembran organisieren. Dies ist eine grundlegend wichtige Frage, da die Zellen in unserem Körper miteinander und mit ihrem extrazellulären Milieu über eine Vielzahl von Rezeptoren kommunizieren, die auf der Zelloberfläche exprimiert werden. Dadurch sind sie in der Lage spezialisierte Funktionen auszuführen.“ Es gibt auch Belege dafür, dass abweichende Veränderungen in der Organisation und Dynamik von Zelloberflächenrezeptoren der Ursprung einer riesigen Zahl von Krankheiten wie Krebs, neurologische und neurodegenerative Krankheiten, Autoimmunkrankheiten und pathogene Infektionen sind. „Die Visualisierung dieser Ereignisse, die im Nanometerbereich und in verschiedenen zeitlichen Skalen in Echtzeit passieren, erfordert Bildgebungstechniken mit ultrahoher Auflösung“, fährt Dr. Garcia-Parajo fort. Eine ultrahohe Auflösung der Sorten. Dr. Garcia-Parajo und ihr Team glauben, dass die Lösung bei photonischen Nanoantennen zu finden ist – das sind intensive Lichthotspots im Nanomaßstab, die genutzt werden können, um eine Probe in der Größe von etwa 20nm abzubilden und Interaktionen zwischen Molekülen zu sondieren. Während diese nicht der einzige Weg zur superhohen Auflösung sind, verlassen sich andere Formen der ultrahochauflösenden Mikroskopie auf sehr spezifische fluoreszierende Labels. Sie können vielleicht nicht das volle Spektrum der biologischen Anwendungen erreichen, eine Einschränkung, der photonische Antennen nicht unterliegen. Außerdem können diese Antennen in Kombination mit anderen Techniken genutzt werden, wie etwa Fluoreszenzkorrelationspektroskopie, um eine zeitliche Auflösung von Mikrosekunden zu liefern. Während die Physik der Nanoantennen bereits gemeistert wird, ist NANO-VISTA der erste Versuch, diese dank innovativer Designs auch in den Bereich der Biologie bringen. Dr. Garcia-Parajo erläutert den Prozess, der zu diesem Durchbruch geführt hat: „Wir haben neuartige Wege für die Herstellung von großmaßstäblichen Antennengruppen entwickelt, so dass wir multiple Zellen auf Nanoebene, die mit ihrer inhärenten Heterogenität zurechtkommen, abfragen konnten. Dies taten wir, während wir Entwürfe vor Augen hatten, die hinsichtlich der optischen Leistung der Antennen reproduzierbar, skalierbar, um tausende von Antennen in einem einzigen Substrat herzustellen, wiederverwendbar und kostengünstig sind Schließlich kombinierten wir diese Nanostrukturen mit neuartigen Formen der Fluoreszenzspektroskopie, um nicht nur eine räumliche sondern vor allem eine ultrahohe zeitliche Auflösung zu erreichen.“ Die Ergebnisse der Demonstrationen zu diesem Projekt waren hervorragend. Das Team zeigte Einzelbiomoleküldetektion (DNA & verschiedene Proteine) in Zeptoliter Beleuchtungsvolumen, verstärkte das Fluoreszenzsignal einzelner Moleküle mit Faktoren, die das 105-fache der Emission eines Einzelmoleküls betrugen, wenn diese durch konventionelle konfokale Illumination angeregt wird, deckten exzitonische Kopplung in einzelnen Lichterntekomplexen auf und arbeiteten mit Immunologen zusammen, um Einblicke in Prozesse der Immunzelladhäsion und Migration zu geben. Es wurden bereits mehrere Kooperationen mit wichtigen Industrieakteuren in den USA, Indien, dem Vereinigten Königreich und Spanien initiiert. Im Fadenkreuz: Nutzung der NANO-VISTA-Technologie in der Zellmembranbiologie und Zellsignalgebung, Integration in Standardmikroskope oder Hochdurchsatzscreeningplattformen für Schnelltests von spezifischen Antikörpern, Ligandeninteraktionen oder Medikamenten. Für die künftige Kommerzialisierung werden Nebenprodukte vorbereitet, obwohl die komplette Kommerzialisierung aller Projektergebnisse immer noch eine Herausforderung ist. „Das NANO-VISTA-Konsortium ist sehr lebendig“, sagt Dr. Garcia Parajo begeistert. „NANO-VISTA hat die Mittel bereitgestellt, um sich in den Nanobereich mit einer Mikrosekundenauflösung zu begeben. Jetzt müssen wir diese Information mit mikro- und meso-maßstäblicher Bildgebung von Einzelzellen und Zellpopulationen verknüpfen. Hoffentlich werden neue Finanzierungsquellen der Europäischen Kommission es ermöglichen, dass dieser Traum Wirklichkeit wird.“

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Advanced photonic antenna tools for biosensing and cellular nanoimaging

Nanophotonische Antennen decken Krankheitsmechanismen im Nanomaßstab auf

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