Neuartige Geräte für die Einzelmoleküldetektion
Der Nachweis und die Charakterisierung von einzelnen Molekülen würden Forschungen zu grundlegenden biologischen Prozessen erleichtern und damit die Schaffung von Strukturinformationen von Membranproteinen fördern. Darüber hinaus könnte die Diagnose vieler Krankheiten einschließlich Krebs verbessert werden. Hierfür schlugen Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts SMD ("Single or few molecules detection by combined enhanced spectroscopies") vor, ein starkes elektromagnetisches Feld in einem extrem kleinen Raum einzufangen, um ein detailliertes chemisches Mapping im Nanomaßstab zu liefern. Zu diesem Zweck untersuchten sie die Eigenschaften von Oberflächenplasmonen (SPP), bei denen es sich im Wesentlichen um elektromagnetische Wellen handelt, die erzeugt werden, wenn Lichtteilchen (auch als Photonen bekannt) unter geeigneten Bedingungen auf Metallplasmonen auftreffen. Die Idee bestand darin, verschiedene experimentelle spektroskopische Methoden in einem Gerät zu kombinieren, um so eine chemische Charakterisierung auf Einzelmolekülebene ohne Marker zu erhalten. Dieses System kombiniert die Technologie von einem Rasterkraftmikroskop oder einer optischen Pinzette mit optischer Spektroskopie und ermöglicht gleichzeitig dynamische Kraftfeld- und Raman-, SERS-, Infrarot- oder Terahertzmessungen. Die räumliche Auflösung erreichte einen bisher nicht dagewesenen Grad im Bereich von 10 Nanometern oder weniger. Neben der Optimierung der Komponenten synthetisierten die Wissenschaftler eine Reihe von Nanoproben auf Basis von Protein- oder DNA-Konjugaten mit Metall-Ionen. Diese wurden für die Ermittlung struktureller Informationen und die Beschreibung von Konformationsänderungen des Photorezeptor-Transmembranproteins in dem durch zyklische Nukleotide gesteuerten Ionenkanal getestet. Darüber hinaus konnten die Forscher mithilfe von Proteinen der BRCT-Domäne als Sondenmoleküle den Wildtyp von mutierten Peptiden unterscheiden. Durch die erfolgreiche Kombination von optischen und mechanischen (spektroskopischen) Charakterisierungsmethoden in einem einzigen Gerät, stellte sich die SMD-Initiative einer bedeutenden technologischen Herausforderung. Einzelmolekülspektroskopie besitzt das Potenzial, die Diagnoseempfindlichkeit zu erhöhen und neue Wege für pharmazeutische Unternehmen und Branchen im Gesundheitswesen zu eröffnen.