Dreidimensionales Plasmonenlineal zum Vermessen von Zellkernen

22.06.2011: Ein Forscherteam um Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart hat in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley Labor in Kalifornien eine Methode vorgestellt, mit der man dreidimensionale Strukturen und ihre Veränderungen im Nanometerbereich erfassen kann: ein dreidimensionales Plasmonenlineal. Ein solches Lineal könnte in Zukunft beispielsweise die Faltung des Erregers der Creutzfeld-Jacob Krankheit (auch bekannt als „Rinderwahn“) erleichtern, bei dem eine bestimmte Art von Proteinen tödliche Folgen haben kann.

Das Geheimnis des Lebens ist in Proteinen verschlüsselt. Woraus sie bestehen, weiß man seit Jahren, künstliches Leben zu erzeugen, schafft man jedoch noch nicht. Der Grund dafür liegt darin, dass nicht allein der Aufbau eines Proteins zählt, sondern auch seine Struktur und insbesondere die Form, wie es gefaltet ist. Die Entschlüsselung dieser Proteinfaltung ist für Forscher nach wie vor eine große Herausforderung. Methoden wie hochauflösende Kernspinresonanz, Röntgen- oder Elektronenbeugung oder optische Fluoreszenzmethoden kommen zum Einsatz. Diese Methoden sind jedoch oft sehr langwierig und schwierig durchzuführen, sie funktionieren nicht an einzelnen Proteinen und können zudem den zeitlichen Ablauf des Faltungsprozesses nicht wirklich beobachten. Höchst problematisch ist zudem, dass Methoden wie Röntgenstrukturanalyse das empfindliche lebende Gewebe zerstören.

Das von Prof. Harald Giessen und seinem Team vorgestellte dreidimensionale Plasmonenlineal könnte eine Alternative sein, um die Probleme der Strukturbestimmung zu lösen. Die Idee dahinter ist ganz einfach: Man hängt an verschiedene Stellen im Protein oder in einer DNA Gold-Nanostäbchen an. Dann betrachten die Forscher das Protein unter einem optischen Mikroskop, beleuchten es mit weißem Licht und messen das Streu- oder Absorptionsspektrum. Sind die Gold-Nanostäbchen in einer bestimmten Art und Weise im Protein arrangiert, so ergibt sich ein ganz charakteristisches optisches Spektrum. Die Wissenschaftler unter der Leitung von Na Liu aus Berkeley demonstrieren nun, dass kleinste Veränderungen in der Anordnung der Gold-Nanoteilchen sehr große und eindeutig identifizierbare Änderungen im optischen Spektrum hervorrufen.

Daraus ließe sich wiederum die biologische Struktur rekonstruieren. Die Methode hat den großen Vorteil, dass sie mit einzelnen Nanostrukturen und somit Proteinen funktioniert. Das Verfahren ist schonend, da es nur ein Mikroskop und weißes Licht benötigt und funktioniert auch in wässriger Umgebung, also auch bei Bedingungen, wie sie in einer Zelle herrschen. Zudem kann man den ganzen Prozess und seine Dynamik live betrachten. Von dem neuen Verfahren erhoffen sich die Forscher, dreidimensionale Strukturänderungen im Nanometer-Bereich und im Millisekundenbereich in Zellen, Zellkernen, Zellmembranen, bei Proteinen, Peptiden und anderen weichen biologischen Materialien aufklären zu können und dem Geheimnis des Lebens ein weiteres kleines Stück auf die Schliche zu kommen.

Originalveröffentlichung:
Na Liu, Mario Hentschel, Thomas Weiss, A. Paul Alivisatos and Harald Giessen: Three-Dimensional Plasmon Rulers, Science 332, 1407 (2011)