Fakultät für Chemie und Pharmazie

Mit Graphen und DNA zu neuen Biosensoren

Skizzen von rechteckigen, scheiben- und säulenförmigen DNA-Origami-Strukturen.

Ein guter Biosensor sendet ein klares Farbsignal, sobald die Zielsubstanz bindet. Die Signalstärke hängt unter anderem vom Abstand der beteiligten Farbmoleküle ab. Wie man deren Entfernung für Tests auf den Nanometer genau definieren kann, zeigen jetzt Mitglieder des Exzellenzclusters e-conversion.

 

Optische Biosensoren funktionieren oft über Energietransfer: Die gesuchte Substanz bindet an einen Sensorkomplex, dessen Form ändert sich und zwei zum Komplex gehörende Fluoreszenzfarbstoff-Moleküle liegen näher beieinander. Dies hat zur Folge, dass der energetisch angeregte Farbstoff Energie auf das zweite Molekül überträgt und sich bei beiden die Fluoreszenzstrahlung ändert. Dabei wechselt entweder die emittierte Farbe oder die Signalintensität.

Die Gruppe von Prof. Philip Tinnefeld (E-Conversion / LMU München) untersuchte jetzt mit Dr. Izabela Kaminska von der Polnischen Akademie der Wissenschaften eine Frage, die für die Qualität von Biosensoren entscheidend ist: Bei welchem Abstand von Energielieferant und –akzeptor ist die Energieübertragung optimal und liefert somit die besten Signale? Dazu entwarfen sie einen eigenen Versuchsaufbau und setzten zwei für Biosensoren bisher ungewöhnliche Elemente ein: Graphen und DNA.

Der perfekte Abstand

Graphen ist ein hervorragender Energieakzeptor und ersetzte im Experiment das zweite Fluoreszenzmolekül. Mit seiner zweidimensionalen Struktur bildet es die Unterlage, auf dem der Test-Fluoreszenzfarbstoff installiert wird. Das Molekül sitzt dabei auf einer Art Säule aus DNA, die die Wissenschaftler mit der sogenannten Origami-Methode herstellen. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Länge der Säule und somit den Abstand des Farbstoffmoleküls zum Graphen auf den Nanometer genau vorzugeben. Die Tests zeigten einen klaren Sieger: Liegen zwischen dem Fluoreszenzmolekül und der Graphen-Fläche 18 Nanometer, ist die Signaländerung am höchsten.

Ein ungewöhnliches Paar

Die Verbindung von Graphen und DNA ist ungewöhnlich. Und so stand zunächst die Suche nach dem perfekten Kleber auf der ToDo-Liste der Forscher. Bei der aromatischen Verbindung Pyren wurden sie fündig. Ihre Ringstruktur ähnelt der von Graphen und sie lässt sich zugleich an DNA-Strukturen binden. Beide Materialien sind für Biosensoren nicht nur interessant aufgrund hoher Leitfähigkeit und der Eigenschaft als definierter Abstandhalter. Graphen besteht aus nur einer Atomschicht, ist dadurch lichtdurchlässig und trotzdem höchst stabil. Und auch die Wahl von DNA hat weitere Vorteile. Über den vereinfachten Testaufbau hinaus bieten DNA-Strukturen beispielsweise eine kompatible Grundlage zum Andocken von komplexen Biosensoren.

Demzufolge warten eine Menge weitere interessante Projekte auf das Team aus München und Warschau.

Publikation:

Distance Dependence of Single-Molecule Energy Transfer to Graphene Measured with DNA Origami Nanopositioners, I. Kaminska, J. Bohlen, S. Rocchetti, F. Selbach, G.P. Acuna, P. Tinnefeld, Nano Letters, 19 (7), pp. 4257-4262, 2019

Kontakt:

Prof. Dr. Philip Tinnefeld
Lehrstuhl für Physikalische Chemie
Ludwig Maximilians-Universität München
Butenandtstr. 11 (Haus E)
81377 München
Germany
E-mail: philip.tinnefeld@cup.uni-muenchen.de