Forschung & Entwicklung

Biomoleküle verbessern optische Mikroskopie

Eine neuartige Methode für die optische Mikroskopie basiert auf biologischen Motoren und einzelnen Quantenpunkten, mit denen sich ultra-hochaufgelöste Bilder erzeugen lassen.

Die Auflösung konventioneller optischer Mikroskopie ist durch das fundamentale physikalische Prinzip der optischen Beugung auf etwa die halbe Wellenlänge des Lichts begrenzt. Wissenschaftler weltweit haben deshalb in der Vergangenheit Konzepte entwickelt, um das Beugungslimit zu umgehen und somit die Auflösung zu erhöhen. Der dafür notwendige technische Aufwand ist jedoch erheblich und benötigt in der Regel hochspezialisierte Mikroskopaufbauten. Insbesondere die Vermessung optischer Nahfelder, welche so stark lokalisiert sind, dass sie keine Wellen zu einem weit entfernten Detektor schicken können, stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar.

In einer neuen Studie zeigen Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und der Technischen Universität Dresden nun, dass es möglich ist, diese Nahfelder mit einem deutlich geringeren Aufwand zu vermessen. Sie haben dafür viele extrem kleine optische Nanosonden mithilfe eines biomolekularen Transportsystems über eine Oberfläche gleiten lassen.

„Wir haben als Sonden sogenannte Quantenpunkte verwendet – wenige Nanometer kleine fluoreszente Partikel“, schildert Prof. Bert Hecht vom Lehrstuhl für Experimentelle Physik (Biophysik) an der JMU. Sogenannte Motorproteine und Mikrotubuli sorgen dafür, dass die Quantenpunkte über das zu untersuchende Objekt wandern. „Diese beiden Elemente gehören zu den fundamentalen Bestandteilen eines intrazellulären Transportsystems“, erklärt Prof. Stefan Diez, Lehrstuhlinhaber für BioNanoWerkzeuge am B CUBE – Center for Molecular Bioengineering der TU Dresden. Mikrotubuli sind röhrenförmige Proteinkomplexe, die mit einer Länge von bis zu mehreren zehntel Millimetern ein wichtiges ‚Straßensystem‘ im Inneren menschlicher Zellen bilden. Motorproteine laufen entlang dieser Strecken und können dabei intrazelluläre Lasten von einem Ort zu einem anderen transportieren.

Dieses Konzept haben sich die Forscher zunutze gemacht, allerdings in umgekehrter Anordnung: Die Motorproteine werden auf der Oberfläche der Proben fixiert und reichen die Mikrotubuli über sich hinweg – sozusagen ein ‚Stagediving‘ mit Biomolekülen. Die Quantenpunkte, die als optische Sonden dienen, werden dabei an die Mikrotubuli gebunden und bewegen sich mit ihnen mit.

Da es mit einem einzelnen Quantenpunkt sehr lange dauern würde, einen großen Oberflächenabschnitt zu untersuchen, haben die Forscher große Mengen solcher Quantenpunkte und Motorproteine verwendet. Damit bewegen sich viele Quantenpunkte gleichzeitig und tasten so eine große Fläche in kurzer Zeit ab. Auf diese Weise können lokale Lichtfelder großflächig mit einer Auflösung von weniger als fünf Nanometer auf einem einfachen optischen Mikroskop vermessen werden.

Die von ihnen entwickelte Methode haben die Physiker auf einer dünnen Goldschicht getestet, die mit schmalen Schlitzen mit einer Breite von weniger als 250 Nanometern versehen war. Diese Schlitze haben sie von unten mit blauem Laserlicht beleuchtet. Während der Messung gleitet die Mikrotubuli gleichzeitig in verschiedene Richtungen über die Oberfläche der Goldschicht. Mit einer Kamera kann in definierten zeitlichen Intervallen die Position von jedem transportieren Quantenpunkt exakt bestimmt werden. Wenn sich nun ein Quantenpunkt durch das optische Nahfeld der Spalte bewegt, leuchtet dieser – sozusagen als optischer Sensor – stärker auf. Da der Durchmesser des Quantenpunkts nur wenige Nanometer beträgt, lässt sich die Lichtverteilung innerhalb des Schlitzes äußerst präzise bestimmen – und somit das Beugungslimit umgehen.

Ein weiterer Vorteil dieser neuartigen Methode besteht darin, dass sich ein Mikrotubulus aufgrund seiner Länge und Festigkeit äußerst geradlinig und vorhersagbar über die motorbeschichtete Probenfläche bewegt. Dadurch ist es möglich, die Position der Quantenpunkte zehn Mal genauer zu bestimmen als bei bisher etablierten höchstauflösenden Mikroskopiemethoden. Auch können auf diese Weise Störungen ausgeschlossen werden, die durch Artefakte aufgrund einer Nahfeldkopplung entstehen. Da das Transportsystem nur aus wenigen Molekülen besteht, ist auch dessen Einfluss auf das Nahfeld vernachlässigbar.

Die Forscher hoffen, mit ihrer Idee eine neue Technologie im Bereich der Oberflächenmikroskopie etablieren zu können, besonders bei der optischen Überprüfung von nanostrukturierten Oberflächen. In einem nächsten Schritt wollen sie jetzt dieses molekulare Transportsystem in der Grundlagenforschung verwenden, um Quantenpunkte gezielt mit präparierten optischen Nahfeldern zu koppeln und deren Wechselwirkung zu studieren.

Originalveröffentlichung:

[H. Groß, H. S. Heil, J. Ehrig, F. W. Schwarz, B. Hecht, S. Diez, Parallel mapping of optical near-field interactions by molecular motor-driven quantum dots, Nat. Nanotechnol. (2018), DOI: 10.1038/s41565-018-0123-1]

von mn

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