Poren identifizieren einzelne Moleküle

Der Sensor reagiert auf einzelne Moleküle und erkennt gleichzeitig ihre Identität. Mit neuen Nanowerkzeugen lassen sich selbst einzelne Moleküle identifizieren. Eines dieser Verfahren arbeitet nach dem Prinzip einer Nanoschleuse, die Moleküle nur einzeln passieren lässt.

Wissenschaftlern aus München und Frankfurt ist es jetzt gelungen, einen solchen Nanosensor zusätzlich mit biologischen Funktionen auszustatten, so dass auch die Identität der durchgeschleusten Moleküle ermittelt werden kann. Mithilfe eines Elektronenstrahls bohrten sie winzige Löcher mit einem Durchmesser von 25 Nanometern in eine dünne Halbleitermembran aus Siliziumnitrid. Diese Öffnung ist gerade groß genug für ein einzelnes Molekül. Sie wird 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 „Etikett“ aus sechs Aminosäuren (Histidin) ausgezeichnet wurden. Nach dem gleichen Prinzip können 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. 

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. 

Literatur: Wei, R., et al.: Nature Nanotechnology, March 11, 2012. DOI: 10.1038/NNANO.2012.24