Anpassung der Interaktionen von Lichtmolekülen auf Nanoebene
Der Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) ist eine der effektivsten Methoden zur Messung der Distanz, Struktur und Interaktion von Molekülen auf Nanometerebene. Allerdings ist diese Methode noch alles andere als perfekt. Die Anwendung ist in mehreren Bereichen der Physik und Analytik noch stark begrenzt, vor allem, wenn es um die Messung kurzer Distanzen von weniger als 8 Nanometern geht. Um die Einsatzmöglichkeiten für FRET zu erweitern, entwickelte das EU-finanzierte Projekt EXTENDFRET eine innovative nanophotonische Methode, mit der die Interaktion von Lichtmolekülen im Nanometerbereich angepasst werden kann. "Obwohl mittels Nanophotonik bereits Fluoreszenzeigenschaften von Einzelemittern kontrolliert werden können, war vor unserer Recherche noch unklar, ob auch FRET damit erweitert werden kann", erklärt Projektkoordinator Jerome Wenger. "Vor allem dieses Problem musste gelöst werden, um Nanophotonik für die FRET-Methode nutzbar zu machen, die in den Biowissenschaften und der Biotechnologie ein häufig eingesetztes Nanometermaß ist." Der eindeutige Beweis Die Energieübertragung zwischen Molekülen - wesentliche Voraussetzung für Photosynthese, Photovoltaik und Biotechnologie – findet statt, wenn Lichtmangel herrscht. Ziel des Projekts EXTENDFRET war daher, diesen Energietransfer zwischen Molekülen durch Aufätzen optischer Nanostrukturen zu kontrollieren und zu verstärken. Hierzu führten die Forscher Experimente mit Einzelmolekülen durch und beobachteten die Emissionen von Donor und Akzeptor unter verschiedensten experimentellen Bedingungen. Zum Beispiel wurden Donor-Akzeptor-Paare mit starrer doppelsträngiger DNA-Bindung zwischen den Molekülen generiert. Diese Paare wurden dann in Blenden eingesetzt, die in einen Film aus Goldnanopartikeln eingefräst worden waren. Durch genaue Messungen der Strahlungseigenschaften der Molekülpaare demonstrierten die Forscher, dass die Energieübertragungsrate zwischen den Molekülen in einer Nanoblende sechsmal höher ist. EXTENDFRET demonstrierte eindeutig den Effekt photonischer Umgebungen auf die FRET-Rate in plasmonischen Nanostrukturen. Durch diese Forschungsergebnisse konnte die FRET-Rate deutlich erhöht werden, sodass sich Nanophotonik vor allem für die Messung großer Abstände zwischen Donor und Akzeptor mittels FRET anbietet. "Am Projektbeginn lautete die Standardthese, dass es unmöglich ist, den Energietransfer zwischen Molekülen durch Nanophotonik zu verändern", sagt Wenger. "Unsere Forschung hat dies jedoch eindeutig widerlegt." Damit öffnen sich neue Türen Die vielversprechenden Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, um die in den Biowissenschaften und der Biotechnologie häufig angewendete Messung mittels Energietransfer zu präzisieren. Damit lassen sich optische Nanostrukturen nun in Biosensoren, Lichtquellen und Photovoltaikanlagen einsetzen. So kann beispielsweise die Faltstruktur großer DNA- und Proteinmoleküle mittels FRET über größere Abstände hinweg genauer bestimmt werden. "Dies wird neue Erkenntnisse zur Expression und Regulierung von Genen liefern und die Arzneimittelentwicklung voranbringen", sagt Wegner. Einerseits ist damit der wissenschaftliche Beleg erbracht, dass FRET-Anwendungen wie Photovoltaik, organische Lichtquellen und Bio-Sensoren mittels Nanophotonik präzisiert werden können. Andererseits liefern die neuen Erkenntnisse, dass sich große Donor-Akzeptor-Abstände oder die senkrechte Orientierung zwischen Donor- und Akzeptordipolen mittels FRET messen lassen, ein neues Paradigma für die Analyse biochemischer Strukturen, bei denen der Abstand zwischen Donor und Akzeptor weit über die bislang mit FRET messbaren Distanzen hinaus geht. Das Projekt arbeitet derzeit an einer Proof-of-Concept-Studie für weitere biologische Anwendungen wie Analysen der Proteindynamik bei Molekülinteraktionen und strukturelle Veränderungen. Zudem wurden zwei Patente für optische Mikroskope angemeldet.
Schlüsselbegriffe
EXTENDFRET, FRET, nanophotonisch, Biotechnologie, Biowissenschaften
