Nanosensorik

Ein optoplasmonischer Sensor für den direkten Blick auf die Maschinerie des Lebens

  • Abb. 1: Ein Goldnanodrähtchen konzentriert das Laserlicht in einem wenige Nanometer großen Lichtfleck zur markierungsfreien Detektion einzelner Proteine und deren Bewegungen.
  • Abb. 2: Eine Glasmikrokugel zirkuliert einen Laserlichtstrahl durch Totalreflektion auf sogenannten Flüstermoden. Der wiederkehrende Lichtstrahl verstärkt das optische Einzelmolekülsignal. Der optoplasmonische Sensor kann so zur Beobachtung einzelner Proteine und deren Bewegungen benutzt werden.
  • Abb. 3: Die Bewegungen eines DNA-Polymeraseenzyms gleichen dem Öffnen und Schließen einer Hand. Diese Bewegungen wurden mittels des optoplasmonischen Sensors direkt beobachtet.
  • Abb. 4 A: Thiol- und Amingruppen reagieren mit unterschiedlichen Goldatomen des Gold-Nanodrähtchens. B: An der Kuppe des Nanodrähtchens können selbst einzelne Ionen, wie z. B. Zn2+, detektiert werden.

Einzelnen Enzymen direkt bei der Arbeit zusehen zu können, würde gänzliche neue Methoden der biochemischen Analyse ermöglichen. Man könnte einzelne Biomoleküle und deren Zusammensetzung direkt analysieren, Molekül für Molekül.

Diesem Traum der optischen Einzelmolekülanalyse ist die Arbeitsgruppe um Vollmer in ihrer aktuellen Studie einen großen Schritt näher gekommen. Es gelang ihnen, mittels Licht einzelne Enzyme und deren Aktivität direkt und ohne Markierung zu beobachten [1]. Das Herzstück der angewandten Methode ist ein Nanosensor, der ein Gold-Nanodrähtchen enthält. Mit diesem kann eine DNA-Polymerase, deren Form einer Hand gleicht, direkt beobachtet werden. Untersuchungen mit Hilfe des Nanosensors ermöglichten die Verfolgung des „Greifens“ dieser Hand, die sich um einen DNA-Strang schließt und dann die Erbinformationen kopiert. Das Gold-Nanodrähtchen bündelt dabei Laserlicht in einem nur wenige Nanometer großen Lichtfleck. In diesem lassen sich die Signale einzelner Proteine und deren Bewegungen aufzeichnen, indem die Proteine direkt an das Nanodrähtchen geheftet werden (Abb. 1).

Als Signal wird eine sehr kleine Änderung der Wellenlänge des Lichtes aufgezeichnet, das mit dem Nanodrähtchen in Interaktion tritt. Dabei ist eine optische Verstärkung des Signals durch zwei gegenübergestellte Spiegel, über die das eintretende Licht viele Male zum Nanosensor reflektiert wird, notwendig. Mit jedem Lichtpass wird so das Detektionssignal weiter verstärkt. In der hier vorgestellten Studie wurden die Spiegel durch eine Glaskugel ersetzt, deren Durchmesser ungefähr 100 Mikrometer beträgt. Wird ein Lichtstrahl nahe der Innenseite der mikroskopisch kleinen Kugel parallel zur Oberfläche ausgesandt, bleibt dieser im inneren der Kugel gefangen (Abb. 2). Der Lichtstrahl wird immer wieder reflektiert und zirkuliert so in der Mikrokugel auf einer sogenannten Flüstermode. Außen auf der als optoplasmonischer Sensor dienenden Glaskugel angebracht ist das Nanodrähtchen [2].

Aufzeichnung von Proteinbewegungen im Nanosekundentakt

Mit diesem neuartigen optoplasmonischen Sensor gelang es erstmals, das Öffnen und Schließen einer Polymerasehand direkt mit Licht aufzuzeichnen (Abb.

3) [1]. Dazu wird der Sensor in eine wässrige Lösung getaucht, zu der kurze DNA-Einzelstränge gegeben werden. Die Bewegung der Polymerasehand wird jedes Mal dann beobachten, wenn das Enzym nach einem weiteren DNA-Strang greift. Diese Enzymaktivität wird für Polymerasen aus ganz unterschiedlichen Organismen wie dem Archaebakterium Pyrocossus Furiosus (pfu) und dem Bakterium E. Coli beobachtet. Die pfu-Polymerase zeigt diese Enzymaktivität ab einer Temperatur von etwa 60 °C. Diese Beobachtung entspricht der Erwartung, da das Pyrococcus-Bakterium im Gegensatz zu E.Coli nahe heißer Quellen lebt. Die Aktivität des Klenow-Fragments der E.Coli-Polymerase wird dagegen schon bei etwa 20 °C beobachtet.

Die Detektion der Bewegung einzelner Proteinkomponenten ist schwierig, da Molekülbewegungen wie die der Polymerasehand sehr schnell sind. Um die Proteindynamik aufzuzeichnen ist deshalb eine sehr schnelle Methode erforderlich. Die optoplasmonischen Sensoren ermöglichen die Aufzeichnung von Proteinbewegungen sogar im Nanosekundentakt [3]. Sie können einerseits sehr schnelle Prozesse wie die Dynamik von Enzymen, Motorproteinen und Ionenkanälen oder die etwas langsamere Faltung von Proteinen aufzeichnen. Andererseits können mittels optoplasmonischer Sensoren auch sehr langsame oder seltene biochemische Prozesse beobachtet werden z. B. solche, die zu Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson führen. Hierbei treten spontane Änderungen in der Proteinfaltung auf, die über diesen neuen Ansatz untersucht werden können. Auch Reaktionsmechanismen lassen sich mit dieser Klasse von Sensoren untersuchen [4]. So konnte gezeigt werden, dass sich einzelne DNA-Moleküle über Thiol- oder Amingruppen an das Gold-Nanodrähtchen anheften lassen (Abb. 4A).

Auf dem Weg zu einem Einzelmolekülscanner

Die Grenzen der optoplasmonischen Sensorik sind bislang nicht bekannt. Selbst einzelne Zink- und Quecksilberionen, die noch hundertmal kleiner im Durchmesser sind als ein Protein, können beobachtet werden [5]. Für diese hochsensitive Detektion werden die Kuppen des Nanodrähtchens verwendet (Abb. 4B). Es finden sich auf diesen Kuppen winzige Spitzen, die in wenigen Goldatomen enden.

Besonders interessant für zukünftige Anwendungen ist die Integration der optoplasmonischen Sensoren auf Siliziumchips [6-8]. Diese könnten geringste Probenmengen in Echtzeit, Molekül für Molekül, analysieren. Das Probevolumen wäre nicht größer als die Blutmenge, die durch einen Mückenstich entnommen wird. Trotzdem könnte das Erbgut und fast alle Plasmaproteine darin auf gefährliche Krankheitsmarker analysiert werden. Die hier beschriebenen Entwicklungen stellen die Basis für die Forschung an einem universell einsetzbaren Einzelmolekülscanner dar.

Autor
Frank Vollmer

Kontakt  
Prof. Frank Vollmer

Department of Physics and Astronomy
Living Systems Institute
University of Exeter
Exeter, United Kingdom
f.vollmer@exeter.ac.uk

Referenzen:

[1] E. Kim, M. D. Baaske, I. Schuldes, P. S. Wilsch, F. Vollmer, Label-free optical detection of single enzyme-reactant reactions and associated conformational changes, Sci. Adv. 2017, 3, DOI: 10.1126/sciadv.1603044.

[2] J. Xavier, S. Vincent, F. Meder, F. Vollmer, Advances in optoplasmonic sensors - combining optical nano/microcavities and photonic crystals with plasmonic nanostructures and nanoparticles, Nanophotonics 2017, 7, 1-38, DOI: 10.1515/nanoph-2017-0064.

[3] S. Rosenblum, Y. Lovsky , L. Arazi, F. Vollmer, B. Dayan, Cavity ring-up spectroscopy for ultrafast sensing with optical microresonators, Nat. Comm. 2015, 6, 6788-6788, DOI: 10.1038/ncomms7788.

[4] E. Kim, M. D. Baaske, F. Vollmer, In Situ Observation of Single-Molecule Surface Reactions from Low to High Affinities, Adv. Mat. 2016, 28, 9941-9948, DOI: 10.1002/adma.201603153.

[5] M. D. Baaske, F. Vollmer, Optical observation of single atomic ions interacting with plasmonic nanorods in aqueous solution, Nat. Photonics, 10, 733-739, DOI: 10.1038/nphoton.2016.177.

[6] E. Kim, M. D. Baaske, F. Vollmer, Towards next-generation label-free biosensors: recent advances in whispering gallery mode sensors, Lab Chip 2017, 17, 1190-1205, DOI: 10.1039/c6lc01595f.

[7] A. Mahdavi, P. Roth, J. Xavier, T. K. Paraïso, P. Banzer, F. Vollmer, Free space excitation of coupled Anderson-localized modes in photonic crystal waveguides with polarization tailored beam, Appl. Phys. Lett. 2017, 110, 241101-241101, DOI:10.1063/1.4986187.

[8] J. Topolancik, F. Vollmer, B. Ilic, Random high-Q cavities in disordered photonic crystal waveguides, Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 201102-201102, DOI: 10.1063/1.2809614.

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