Bakterien und Viren mit leuchtenden Nanoröhren nachweisen
Kohlenstoff-Sensoren schnell und einfach anpassen
Das neue Sensorprinzip funktioniert wie ein molekularer Baukasten, aus dem sich schnell und präzise Sensoren für unterschiedliche Zwecke zusammensetzen lassen.
3D-gedrucktes Modell einer Kohlenstoff-Nanoröhre, die den Hauptbestandteil der neuen Sensoren bilden. Anders als in diesem Modell sind die echten Nanoröhren etwa 100.000-mal dünner als ein menschliches Haar.
© RUB, Marquard
Justus Metternich (links) und Sebastian Kruss (rechts) forschen an Kohlenstoff-Nanoröhren, um Biosensoren zu entwickeln. In der Hand halten sie ein Modell einer solchen Nanoröhre.
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Experimenteller Aufbau zur Herstellung der Guanin-Defekte: Mithilfe der LEDs und der Chemikalie Rose Bengal wird eine reaktivere Form des Sauerstoffes hergestellt, die bestimmte DNA-Basen selektiv mit der Nanoröhre verknüpfen kann.
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Ein interdisziplinäres Forschungsteam aus Bochum, Duisburg und Zürich hat einen neuen Weg gefunden, modulare optische Sensoren zu bauen, die Viren und Bakterien nachweisen können. Die Forschenden nutzten dafür leuchtende Kohlenstoff-Nanoröhren mit DNA-Ankern. An die DNA-Anker lassen sich Erkennungseinheiten wie Antikörper binden, die mit bestimmten bakteriellen oder viralen Molekülen interagieren. Eine solche Interaktion verändert das Leuchten der Nanoröhren und macht es beispielsweise heller oder dunkler.
Die Ergebnisse beschreibt ein Team um Justus Metternich und Prof. Dr. Sebastian Kruss von der Ruhr-Universität Bochum, dem Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme und der ETH Zürich in der Zeitschrift Journal of the American Chemical Society, online veröffentlicht am 27. Juni 2023.
Kohlenstoff-Sensoren schnell und einfach anpassen
Bei den verwendeten Sensoren handelt es sich um Röhren aus Kohlenstoff, die einen Durchmesser von unter einem Nanometer haben. Werden sie mit sichtbarem Licht bestrahlt, können sie selbst Licht im nahen Infrarot aussenden. Das nahe Infrarot ist für Menschen nicht sichtbar und ist für optische Anwendungen optimal, da es hier keine anderen Signale gibt. In früheren Studien hatte das Team um Sebastian Kruss bereits gezeigt, wie sich das Leuchten von Nanoröhren manipulieren lässt und damit wichtige Biomoleküle nachgewiesen werden können. Nun suchten die Forschenden nach einer Möglichkeit, die Kohlenstoff-Sensoren schnell und einfach auf verschiedene Zielmoleküle anpassen zu können.
Schlüssel zum Erfolg waren DNA-Strukturen mit sogenannten Guanin-Quanten-Defekten. Hierfür werden Bausteine der DNA (Basen) mit der Nanoröhre verknüpft, sodass in der Kristallstruktur der Nanoröhre eine Art Defekt entsteht. Dadurch wird einerseits das Leuchten der Nanoröhren auf der Quantenebene verändert. Andererseits fungiert der Defekt als Bindeglied zur Erkennungseinheit, die auf das jeweilige Zielmolekül angepasst ist und so beispielsweise ein bestimmtes virales oder bakterielles Protein erkennt. „Durch die DNA-Anker und die daran befestigte Erkennungseinheit kann man sich den Zusammenbau eines solchen Sensors wie ein System aus Bauklötzen vorstellen, nur dass die einzelnen Teile 100.000-mal kleiner sind als ein menschliches Haar“, vergleicht Sebastian Kruss.
Sensor erkennt verschiedene bakterielle und virale Zielmoleküle
Dass das neue Sensorprinzip funktioniert, zeigte die Gruppe unter anderem anhand des SARS-CoV-2-Proteins. Als Erkennungseinheit nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Aptamere. „Das sind besonders gefaltete DNA-Stränge, die durch ihre Struktur zum Beispiel an Proteine binden“, erklärt Justus Metternich. „Im Prinzip lässt sich das Konzept aber auch auf Antikörper oder andere Erkennungseinheiten übertragen.“
Die leuchtenden Sensoren zeigten die Anwesenheit des SARS-CoV-2-Proteins zuverlässig an. Die Selektivität von Sensoren mit Guanin-Quanten-Defekten war höher als von Sensoren ohne solche Defekte. Zudem waren die Sensoren mit Guanin-Quanten-Defekten in Lösung stabiler. „Das ist vor allem vorteilhaft, wenn man – wie wir – nicht nur in einfachen wässrigen Lösungen misst, sondern auch in komplizierten Umgebungen mit Zellen, im Blut oder im Organismus selbst“, erklärt Sebastian Kruss, der an der Ruhr-Universität die Gruppe Funktionale Grenzflächen und Biosysteme leitet und Mitglied im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV, sowie im Graduiertenkolleg International Graduate School of Neuroscience ist.
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