Mit Nanoröhren Bakterien und Viren nachweisen?
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 einer aktuellen Veröffentlichung. Bei den verwendeten Sensoren handele 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 sei für Menschen nicht sichtbar und sei für optische Anwendungen optimal, da es hier keine anderen Signale gebe. In früheren Studien hatte das Team um Kruss bereits gezeigt, wie sich das Leuchten von Nanoröhren manipulieren lässt und damit wichtige Biomoleküle nachgewiesen werden können. Nun suchten die Forscherinnen und Forscher nach einer Möglichkeit, die Kohlenstoff-Sensoren schnell und einfach auf verschiedene Zielmoleküle anpassen zu können.
Verknüpfung von Basen mit der Nanoröhre
Schlüssel zum Erfolg seien DNA-Strukturen mit sogenannten Guanin-Quanten-Defekten gewesen. Hierfür werden Bausteine der DNA (Basen) mit der Nanoröhre verknüpft, sodass in der Kristallstruktur der Nanoröhre eine Art Defekt entsteht. Dadurch werde einerseits das Leuchten der Nanoröhren auf der Quantenebene verändert. Andererseits fungiere der Defekt als Bindeglied zur Erkennungseinheit, die auf das jeweilige Zielmolekül angepasst sei und so beispielsweise ein bestimmtes virales oder bakterielles Protein erkenne. „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 Kruss.
Erfolgreicher Test mit SARS-CoV-2
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 lasse sich das Konzept aber auch auf Antikörper oder andere Erkennungseinheiten übertragen.
Die leuchtenden Sensoren hätten die Anwesenheit des SARS-CoV-2-Proteins zuverlässig angezeigt. Die Selektivität von Sensoren mit Guanin-Quanten-Defekten sei höher gewesen als von Sensoren ohne solche Defekte. Zudem seien 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 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.
Quelle: idw/RUB
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