Nanoporen-Proteinsensoren: neues Tool für Proteinforschung und Diagnostik

  • Nanoporen-Proteinsensoren: neues Tool für Proteinforschung und Diagnostik. Diese 3D-Darstellung zeigt wie die Identität einzelner Proteine in einer modifizierten künstlichen Nanopore untersucht werden. Das in der Pore verankerte "Rezeptor-Protein" (rot-braun) bindet vorübergehend einen IgG-Antikörper (hellbraun), der durch die Pore wandert. Die Dauer der Wechselwirkung kann über den veränderten Stromfluss gemessen werden und gibt Auskunft über die biologische Funktion des Antikörpers. Die weißen Haare stellen eine selbsorganisierte Molekülschicht dar, die dazu dient, die restliche Oberfläche des Goldfilms biologisch zu inaktivieren. Bild: Christoph Hohmann/NIMNanoporen-Proteinsensoren: neues Tool für Proteinforschung und Diagnostik. Diese 3D-Darstellung zeigt wie die Identität einzelner Proteine in einer modifizierten künstlichen Nanopore untersucht werden. Das in der Pore verankerte "Rezeptor-Protein" (rot-braun) bindet vorübergehend einen IgG-Antikörper (hellbraun), der durch die Pore wandert. Die Dauer der Wechselwirkung kann über den veränderten Stromfluss gemessen werden und gibt Auskunft über die biologische Funktion des Antikörpers. Die weißen Haare stellen eine selbsorganisierte Molekülschicht dar, die dazu dient, die restliche Oberfläche des Goldfilms biologisch zu inaktivieren. Bild: Christoph Hohmann/NIM
  • Nanoporen-Proteinsensoren: neues Tool für Proteinforschung und Diagnostik. Diese 3D-Darstellung zeigt wie die Identität einzelner Proteine in einer modifizierten künstlichen Nanopore untersucht werden. Das in der Pore verankerte "Rezeptor-Protein" (rot-braun) bindet vorübergehend einen IgG-Antikörper (hellbraun), der durch die Pore wandert. Die Dauer der Wechselwirkung kann über den veränderten Stromfluss gemessen werden und gibt Auskunft über die biologische Funktion des Antikörpers. Die weißen Haare stellen eine selbsorganisierte Molekülschicht dar, die dazu dient, die restliche Oberfläche des Goldfilms biologisch zu inaktivieren. Bild: Christoph Hohmann/NIM
  • Nanoporen-Proteinsensor: Schematische Darstellung einer metallbeschichteten künstlichen Nanopore, die chemisch mit einem einzigen Rezeptor funktionalisiert ist. Damit können einzelne Proteine spezifisch an die Pore angebunden werden. Das An- und Abbinden des Proteins wird in der Stromkurve detektiert. Bild: U. Rant/TU München

Nanoporen-Proteinsensoren haben das Potenzial, sich zu einem wichtigen Werkzeug in der Proteinforschung und der medizinischen Diagnostik zu entwickeln, z.B. zum Nachweis sehr geringer Konzentrationen von molekularen Krankheitsmarkern im Patienten. Ein Forscherteam der TU München und der Goethe Universität Frankfurt hat ein System aus festkörperbasierten Nanoporen entwickelt, mit dem sich einzelne Moleküle identifizieren lassen. Gegenüber früheren Arbeiten auf diesem Gebiet haben die Wissenschaftler erreicht, dass der Biosensor zwei Eigenschaften vereint: er reagiert auf einzelne Moleküle und erkennt gleichzeitig ihre Identität.

Antikörper-selektive Nanopore
Mit Hilfe eines Elektronenstrahls bohren die Wissenschaftler winzige Löcher mit einem Durchmesser von 25 Nanometer in eine dünne Halbleitermembran aus Siliziumnitrid. Diese Öffnung ist gerade groß genug für ein einzelnes Molekül. Um sicherzugehen, dass Biomoleküle nicht zufällig an Unebenheiten der Pore binden, wird diese mit einer selbstorganisierenden Schicht ausgekleidet, an der Proteine nicht haften bleiben. In dieser Schicht ist der Rezeptor aus mehreren Nitrilotriessigsäure-Molekülen verankert. Dieser Rezeptor erkennt und bindet spezifische Moleküle, die vorab mit einem His-Tag versehen wurden. Nach dem gleichen Prinzip können aber auch ganze Proteine in der Pore eingesetzt werden, die wiederum als Torwächter andere Proteine beim Durchtritt „kontrollieren" und gegebenenfalls für eine bestimmte Zeit binden. Die anorganische Pore übernimmt damit die biologische Funktion des verankerten Proteins. Auf diese Weise konnten die Forscher auch Subklassen von IgG-Antikörpern aus Ratten und Hamstern unterscheiden.

Messprinzip der Nanoporen-Proteinsensoren
Die Messungen an der Nanoschleuse laufen in einer Salzlösung ab.

Legt man elektrische Spannung an, strömen die Ionen der Lösung durch die Poren. Sobald sich das passende Biomolekül an den Rezeptor bindet, verengt sich die Pore und der Stromfluss nimmt ab. Auf diese Weise kann das An- und Abbinden eines bestimmten Moleküls in Echtzeit beobachtet werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass sich nur ein einziger Rezeptor in der Pore befindet - was den Wissenschaftlern mit diesem Verfahren zum ersten Mal gelang.

Tool für Proteinforschung und Diagnostik
Die möglichen Anwendungsgebiete dieses biomimetischen sensorischen Systems sind vielversprechend. So könnten schwierige Probleme in der Proteomik mit diesem Ansatz realisierbar sein, etwa die Analyse der Proteinzusammensetzung einer einzelnen Zelle. Zum anderen könnte dieses System als schneller und sensitiver Biosensor für das Screening von Pharmazeutika oder zur Detektion von Biowaffen dienen.
Bisher richtet sich die Nanoporenforschung vor allem auf DNA-Detektion und DNA-Sequenzierung. Die Ergebnisse zeigen aber, dass Nanoporen das Potenzial haben, sich zu einem wichtigen Werkzeug in der Proteinforschung zu entwickeln und vielleicht schon bald Anwendung in der medizinischen Diagnostik finden. Dazu sind weitere Verbesserungen in Selektivität und Sensitivität der Sensoren nötig, an denen zur Zeit gearbeitet wird.

http://www.wsi.tum.de/

 

 

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