Winzige Leuchtmarkierungen für Moleküle

News: Winzige Leuchtmarkierungen für Moleküle

Jüngste Erfolge bei der Entschlüsselung des menschlichen Genoms haben gezeigt, welchen Stellenwert neue, schnelle Analysemethoden in der Biologie haben. Doch was beim Genomprojekt noch auf dem neuesten Stand der Technik war, kann sich bei der Analyse von Proteinen schon als veraltet und unbrauchbar erweisen. Nun gelang es Forschern, Proteine und DNA-Stücke mit kleinen leuchtenden Perlen zu markieren, womit sich biologische Prozesse leichter verfolgen und bestimmte Moleküle aussortieren lassen.

Thorsten Krome

Das menschliche Genom zu entschlüsseln, ist kein leichtes Unterfangen gewesen. Letztlich waren viele Forschritte in der Biotechnologie und Analysetechnik nötig, um die unzähligen Proben schnell und präzise zu untersuchen. Von Hand wäre dieser Aufwand nie zu bewältigen gewesen. In den letzten Jahren wurden viele neuartige Hilfsmittel entwickelt, die zusammen mit entsprechender Rechnerleistung die Informationsflut beherrschen können. So lassen sich beispielsweise mit so genannten DNA-Chips vergleichsweise schnell Resistenzen prüfen oder Mutationen feststellen.

Nun entwickelten Wissenschaftler der Indiana University in Bloomington ein neues Verfahren, mit dem sich Moleküle markieren lassen. Ganz so wie im Supermarkt jede Ware ihren eigenen Strichcode besitzt, haftet dann an DNA-Schnipseln, Proteinen oder anderen biologisch relevanten Molekülen je eine kleine, charakteristisch leuchtende Perle. Diese farbenfrohen Miniaturmarker stellen Shuming Nie und seinen Kollegen aus Latex her, in welches sie winzige Quantenpunkte einbringen.

Quantenpunkte sind nur wenige Nanometer große Gebilde, meist aufgebaut aus mehreren verschiedenen Halbleitern. Aufgrund ihrer geringen Abmessungen unterscheidet sich ihre elektronische Struktur deutlich von den Ausgangsmaterialien. Das führt beispielweise dazu, dass sie relativ leicht Licht emittieren, wenn eine Lichtquelle sie denn zuvor dazu angeregt hat. Dabei ist die Wellenlänge direkt von der Größe der Nanostrukturen abhängig.

Nie und seine Kollegen verwenden nun Nanokristalle aus Zinksulfid, umhüllt mit Cadmiumselenid, und können damit Leuchtmarker in sechs Farben herstellen. Je nachdem, wie viele dieser leuchtenden Kristalle in einer Latexperle stecken, ist die emittierte Intensität bei einer Wellenlänge mal größer, mal kleiner. Zehn Intensitätsstufen sind pro Farbe möglich, somit erreichen die Forscher insgesamt eine Million unterschiedliche Farbkombinationen.

Gegenüber anderen fluoreszierenden Farbstoffen haben die kleinen Perlen den Vorteil, dass sie viel mehr Licht emittieren. Außerdem sind sie recht gut geschützt vor chemische Einflüssen, sodass sie sich ohne Bedenken mit biologischen Proben mischen lassen. Schließlich gab es in einem Experiment auch keine Probleme, dass sich die Perlen mit ihren Quantenpunkten gegenseitig beeinflusst hätten. So können die hilfreichen Marker mit einer Genauigkeit von 99,99 Prozent erkannt werden.

Aber wie finden nun die unterschiedlichen Perlen, welches Gen oder Protein sie markieren sollen? Dazu nutzen die Forscher biomolekulare Sonden, wie Oligonucleotide und Antikörper, an die sie die Perlen zur Vorbereitung heften. Die biologischen Sonden haben eine Andockstelle, die zu bestimmten anderen Molekülen passt, und damit auch die jeweilige Perle an die richtige Stelle führen.

Bezogen auf eine möglich Anwendung der Mikroperlen äußert sich Nie: "Anscheinend gibt es im menschlichen Genom nur 30 000 Gene. Somit wäre die Methode für die Genomforschung zuviel des Guten. Möglicherweise gibt es jedoch eine Million Proteine beim Menschen", und deshalb wäre das Verfahren für die entstehende Proteomik-Industrie sicherlich interessant.

Allerdings bedürfte es einer Menge Vorarbeit, Perlen mit einem bestimmten Farbcode auszustatten, die auf verschiedene Proteine unterschiedlich reagieren, meint Nie. Die Arbeit wäre ähnlich eines Bibliothekars, der ein Buch nach dem anderen beschriftet und es dann ins Regal stellt.