WISSENSCHAFTS JOURNAL

EINZELNE MOLEKÜLE ALS BAUSTEINE UND
SONDEN ZUR ANALYSE VON NANOSTRUKTUREN
Johannes Hohlbein und Christian G. Hübner
Die Natur hat nach den heute etablierten Theorien schon vor Milliarden Jahren die ersten
nanostrukturierten Materialien hervor gebracht: Organische Makromoleküle, die in der Lage
waren, sich selbst zu replizieren. Seitdem hat die Evolution natürliche Nanostrukturen
hervor gebracht, gegen die sich die von Menschen geschaffenen künstlichen Nanostrukturen
fast primitiv ausnehmen. Während die ersten Ansätze zur künstlichen Herstellung von
Nanostrukturen von einem so genannten »Top-down«-Konzept ausgingen, das heißt der
sukzessiven Verkleinerung mikroskopischer Strukturen, wird heute vermehrt – nach dem
Vorbild der Natur – der umgekehrte Ansatz verfolgt: In einem »Bottom-Up«-Prozess sollen
die Nanostrukturen aus ihren Grundbausteinen – Atomen bzw. Molekülen – entweder
durch Selbstorganisation oder gezielte Manipulation hergestellt werden. Um einen solchen
Prozess verfolgen und steuern zu können, muss man in der Lage sein, die einzelnen Bausteine
– die Moleküle – direkt zu beobachten. Dies ist mit der in den letzten zehn Jahren
entwickelten Methode der Einzelmolekül-Fluoreszenzdetektion und -spektroskopie möglich.
In diesem Artikel sollen schlaglichtartig die Besonderheiten dieser Methode sowie Anwendungen
bei der Untersuchung von Nanostrukturen vorgestellt werden.
Einzelmolekül-Fluoreszenzdetektion
Seit dem ersten Experiment im Jahr 1990,
bei dem die Fluoreszenz eines einzelnen
Moleküls nachgewiesen werden konnte,
hat die Methode der Einzelmolekül-
Fluoreszenzdetektion, abgekürzt SMD
(»Single Molecule Detection«), eine stürmische
Entwicklung erfahren. War man bisher
zur Beobachtung einzelner Atome oder
Moleküle mittels Raster-Tunnel- und Raster-Kraft-Mikroskopie
auf Oberflächen
beschränkt, erlaubt die SMD Einblicke in
das Innere von Materialien, solange diese
transparent sind. Diese Voraussetzung
wird von vielen natürlichen Materialien
(z. B. Zellwände, Zell-Inneres) sowie einer
Reihe von künstlichen Polymeren (Kunststoffen)
erfüllt. Methodisch ist sie nah mit
der Fluoreszenzmikroskopie verwandt.
Gegenstand der Untersuchung sind so genannte
Fluorophore, also Moleküle, die
aufgrund ihrer elektronischen Struktur zur
Fluoreszenz angeregt werden können. Solche
– synthetisch hergestellten – Moleküle
sind zum Beispiel in den Tinten von Textmarkern
in hoher Konzentration enthalten,
wodurch diese ihre intensive Farbe erhalten.
Es gibt jedoch auch natürliche Fluorophore,
wie zum Beispiel das grün fluoreszierende
Protein GFP, das aus einer Tiefseequalle
gewonnen werden kann (siehe
Abb. 1). Bei dem Licht, das von den bei
uns im Frühsommer zu beobachtenden
Leuchtkäfern abgegeben wird, handelt es
sich jedoch nicht um Fluoreszenz, sondern
um Biolumineszenz. Die zum Leuchten
notwendige Energie wird dabei nicht wie
bei der Fluoreszenz durch Einstrahlung
von Licht, sondern durch eine biochemische
Reaktion gewonnen.
Zur Untersuchung einzelner Fluorophore
..............................................................................
scientia halensis 2/2004
Fachbereich Physik
...............................................................................
Abb. 1: Lumineszierende Qualle Aequorea Victoria (a) und dreidimensionale Struktur des grün
fluoreszierenden Proteins (GFP). Die zusammengefaltete Aminosäurekette ist schematisch
dargestellt. Im Inneren des Proteins ist der eigentliche Fluorophor zu sehen, also der Teil des
Proteins, der die Fluoreszenz verursacht.
werden diese in einem Mikroskop mit dem
Licht eines Lasers zur Fluoreszenz angeregt.
Um das sehr schwache Licht eines
einzelnen Moleküls mit einer Leistung von
etwa 40 fW (vergleichbar mit dem Licht einer
100-W-Glühlampe in 1 500 km Entfernung)
überhaupt registrieren zu können,
werden hochempfindliche Photodioden
bzw. Kameras eingesetzt. Prinzipiell ist es
sogar möglich, einzelne Moleküle im Mikroskop
mit dem Auge zu sehen, wenn
man sich ausreichend lange in einem dunklen
Raum aufgehalten hat. Aus dem mikroskopischen
Bild kann man dann unter anderem
die Anordnung der Moleküle oder
deren Ausrichtung im Material bestimmen.
Proteine in Nanoporen
Proteine (von dem griechischen Wort
protos = zuerst) sind die wichtigsten
Grundbausteine aller Lebewesen. Keine andere
Klasse von Zellbestandteilen hat so
vielfältige Funktionen: von der Katalyse
chemischer Reaktionen über den Transport
von Stoffwechselpro- und edukten oder Ionen
durch die Zellmembran, die mechanische
Stabilisierung, aber auch aktive Bewegung
bis hin zur Signalweiterleitung reicht
das Spektrum ihrer Aufgaben. Diese ungeheure
Vielseitigkeit wird durch den Aufbau
der Proteine, die chemisch gesehen zu den
Makromolekülen gehören, ermöglicht. Entscheidend
ist dabei die Reihenfolge – Sequenz
– der aneinandergereihten Aminosäuren,
aus denen die Proteine bestehen.
Aus der Sequenz folgt eine ganz bestimmte
dreidimensionale Struktur (Konformation),
deren Entstehung aus der ungeordneten
Kette von Aminosäuren als Faltung
bezeichnet wird. Bis heute ist nicht verstanden,
wie das Makromolekül aus der
unglaublich großen Anzahl möglicher Konformationen
die »richtige« findet. Bekannt
ist, dass es eine Klasse von Proteinen, die
so genannten Chaperonine, gibt, die die
Faltung anderer Proteine begünstigen. Als
ein Wirkmechanismus dieser Chaperonine,
33