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Goldene Falle: Hochempfindliches System kann einzelne Moleküle nachweisen

Pressemeldung vom 16. Dezember 2013

Die medizinische Diagnostik fahndet nach Substanzen, die frühzeitig anzeigen, ob eine bedrohliche Krankheit entsteht oder wie sie verläuft. Oft sind die verräterischen Moleküle nur in winzigen Mengen vorhanden. Deshalb braucht man extrem sensitive Nachweisverfahren. Forscher vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Potsdam und Berlin eine Nachweismethode entwickelt, mit der sie eine Gesamtzahl von gerade einmal 17 Farbstoff-Molekülen nachgewiesen haben. Diese hochempfindliche Methode könnte einmal dazu genutzt werden, um einen winzigen Bluttropfen auf drohende Erkrankungen zu untersuchen.

Die hohe Empfindlichkeit der Nachweis-Methode beruht auf einer maßgeschneiderten Umgebung für die nachzuweisende Substanz. Der Dresdner Adrian Keller und seine Kollegen haben eine Art goldene Falle konstruiert, die Moleküle einfangen kann und damit deren Nachweis ermöglicht. Zwei winzige Goldpartikel wurden in genau definiertem Abstand zueinander auf einer Unterlage angeordnet. In der Lücke dazwischen verankerten die Wissenschaftler Moleküle eines als TAMRA bezeichneten Farbstoffs. Dann bestrahlten sie die Probe mit Laserlicht, um ein Raman-Spektrum zu erhalten. Bei diesem optischen Verfahren wird das Laserlicht an dem Molekül gestreut und man erhält ein für die betreffende Substanz spezifisches Spektrum. Normalerweise ist die Raman-Spektroskopie ein wenig sensitives Verfahren und man benötigt eine große Anzahl an Molekülen für einen Nachweis. Befinden sich die Moleküle jedoch in der Nähe von metallischen Oberflächen, tritt ein erstaunlicher Effekt auf: Das Raman-Signal wird extrem verstärkt.

Diesen Effekt konnten die HZDR-Forscher bei ihrer Probe beobachten. HZDR-Forscher Adrian Keller erläutert: „Zwischen den Goldkugeln besteht ein elektrisches Feld. Wählt man die richtigen Abmessungen, kommt es zu einer Feldverstärkung zwischen den Partikeln und wir erhalten sogenannte hot spots.“ Das elektrische Feld regt dann zusammen mit dem einfallenden Laserlicht die Moleküle an. So kommt es zur verstärkten Raman-Streuung. Sind also Moleküle in diesen hot spots gebunden, kann man ihre charakteristischen Signale im Spektrum besonders gut erkennen.

Für die Konstruktion ihrer goldenen Falle wählten die Wissenschaftler die Erbsubstanz DNA. Denn die fadenförmigen Stränge lassen sich mit Hilfe vieler kurzer DNA-Abschnitte zu beliebig dimensionierten Objekten falten. Diese auch als DNA-Origami bezeichnete Technik beruht auf der Bindung zwischen komplementären Basen – die DNA-Stränge haken sich wie die beiden Seiten eines Reißverschlusses ineinander. Auf diese Weise haben Adrian Keller und seine Kollegen Dreiecke aus DNA erschaffen, deren Kantenlänge etwa 100 Nanometer beträgt. Aus einem solchen Dreieck ragen zwei exakt platzierte Anker hervor, an denen zwei Gold-Nanopartikel in genau definiertem Abstand gebunden werden.

DNA-Origami mit zwei Ankern
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In einem ersten Versuch überzogen die Forscher die winzigen Goldkugeln mit einer Art DNA-Pelz, der auch Farbstoff-Moleküle enthielt. Dann fertigten sie ein Raman-Spektrum von der Probe an und erkannten, dass die TAMRA-Moleküle sehr gut nachweisbar sind. Da der Pelz auf den Gold-Nanopartikeln sehr dicht ist, schätzen Adrian Keller und seine Kollegen, dass 100 – 1000 Moleküle TAMRA zu dem erhaltenen Signal beitragen. In Kontrollversuchen bestrahlten die Forscher die pelzigen Goldkugeln mit Laserlicht, ohne sie auf dem DNA-Dreieck anzuordnen. Hier zeigte sich im Spektrum nur ein sehr schwaches Signal.

Doch die Methode ist noch weitaus empfindlicher. In weiteren Experimenten brachten die Forscher ein Paar nackter Gold-Nanopartikel auf einem DNA-Dreieck auf und verknüpften drei einzelne Farbstoff-Moleküle über zusätzliche an der DNA lokalisierte Anker direkt innerhalb des hot spots. Auch in diesen Raman-Spektren ist das Signal des Farbstoffs gut zu erkennen. Als optimale Größe der Gold-Kügelchen ermittelten die Forscher 25 Nanometer. Dann war der Verstärkungseffekt besonders groß.

Schließlich bugsierten Adrian Keller und seine Kollegen nur noch ein einziges Farbstoff-Molekül in die Lücke zwischen den beiden Gold-Teilchen. Selbst diese verschwindend winzige Menge an TAMRA ließ sich noch nachweisen. Die Oberfläche, die mit dem Laserstrahl erfasst wurde, enthielt 17 DNA-Dreiecke. Das Signal stammt also von 17 einzelnen Molekülen.

„Wir haben gezeigt, dass man mit der Methode im Prinzip Einzelmoleküle detektieren kann“, sagt Adrian Keller. Nun wollen die Forscher den Aufbau weiter variieren. In der Lücke zwischen den Gold-Partikeln soll beispielsweise ein Anker fixiert werden, der ein nachzuweisendes Molekül – beispielsweise ein Protein – binden kann. Jegliche Art von Biomolekülen könnte auf diese Weise analysiert werden, ob DNA, RNA oder Eiweißstoffe. Und weil jede Molekülsorte charakteristische Raman-Signale erzeugt, kann man mit entsprechend präparierten DNA-Dreiecken sogar auf mehrere Substanzen gleichzeitig testen. In Zukunft könnte das Nachweis-Prinzip auch auf einem Chip integriert werden und in der medizinischen Diagnostik Verwendung finden.

Autorin: Uta Bilow


Publikation

Adrian Keller u.a., “DNA Origami Substrates for Highly Sensitive Surface-Enhanced Raman Scattering”, in: The Journal of Physical Chemistry Letters, 2013, 4 (23), DOI: 10.1021/jz402076b


Weitere Informationen

Dr. Adrian Keller
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung im HZDR
Tel. +49 351 260-3148

Prof. Dr. Ilko Bald
Institut für Chemie - Physikalische Chemie an der Universität Potsdam
Tel. +49 331 977 5238

Pressekontakt

Dr. Christine Bohnet
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Pressesprecherin
Tel.: 0351 260 2450
c.bohnet@hzdr.de