Grünes Licht für die Nanoelektronik – Optischer Schalter aus einzelnen Molekülen entwickelt

So könnte Licht in Zukunft beispielsweise in optischen Schaltkreisen die Rolle von elektrischen Strömen übernehmen. Auf kleinstem Raum haben diese optischen Schaltkreise das Potenzial, die Leistungsfähigkeit und Arbeitsgeschwindigkeit von elektronischen Schaltungen weit zu übertreffen.

LMU-Physiker unter der Leitung von Professor Philip Tinnefeld, der zwischenzeitlich von der LMU an die TU Braunschweig gewechselt ist, haben nun in einem neuartigen Ansatz gezeigt, wie die Ausbreitungsrichtung von Licht bzw. Lichtenergie auf der Ebene einzelner Moleküle manipuliert werden kann. Dazu platzierten die Biophysiker eine Kaskade von vier verschiedenen Fluoreszenz-Farbstoffmolekülen auf einer DNA-Plattform im Nanometer-Maßstab.

Mithilfe eines sogenannten „Springer“-Farbstoffs gelang es ihnen, die Richtung des Lichtweges bzw. des Energietransfers zu kontrollieren. Der Erfolg dieser Strategie, die im Rahmen des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) entwickelt und von der Deutschen Forschungsgesellschaft gefördert wurde, konnte mit einer neuen Vier-farben-Einzelmolekültechnik sichtbar gemacht werden (JACS 2011).

Um Licht auf der Nanoskala zu kontrollieren, bedarf es neuer optischer Bauteile, die als Drähte und Schalter fungieren. Als eine Art Draht könnte der Energietransfer zwischen einzelnen Farbstoffen wirken. In der Natur gibt es für diesen Transfer bereits ein prominentes Beispiel: In der Photosynthese wird Lichtenergie in Lichtsammelkomplexen zwischen Molekülen transportiert. Das Prinzip dieses sogenannten Fluoreszenz-Resonanzenergietransfers (FRET) nutzte das Team von Philip Tinnefeld, um Licht von Fluoreszenz-Farbstoffmolekül zu Fluoreszenz-Farbstoffmolekül zu leiten. Dazu setzen die Wissenschaftler Farbstoffe ein, die ihr Absorptionsmaximum im blauen, grünen, roten und infraroten Wellenlängenbereich besitzen.

Damit die Moleküle – beispielsweise in künstlichen Lichtschaltkreisen – miteinander wechselwirken können, dürfen sie nur rund fünf Nanometer auseinander liegen. Dies gelingt den Wissenschaftlern mithilfe eines winzigen Steckbrettes, für das sie das Biomolekül DNA als Baustoff verwenden. Zunächst binden sie jedes Farbstoffmolekül an einen kurzen künstlichen DNA-Strang. Diese beladenen Abschnitte und rund 200 weitere kurze DNA-Stränge dienen anschließend als eine Art Heftklammern: Sie helfen einem einzelnen, sehr langen DNA-Faden dabei, sich selbstständig in eine zwei- oder auch dreidimensionale Struktur zu falten. Diese ist derart vordefiniert, dass die Farbstoffmoleküle optimal zueinander gelegen aus diesem „DNA-Teppich“ herausschauen. Dieser ist typischerweise weniger als 100 nm x 100 nm groß. Der gezielte Einsatz dieser molekularen Selbstorganisation und -faltung wird als „DNA-Origami“ bezeichnet, angelehnt an die japanische Papierfalt-Technik.

Im Experiment regen die Biophysiker nun zunächst den blauen „Eingangs“-Farbstoff mit der passenden Lichtwellenlänge an. Dieser wird daraufhin einen Teil der Anregungsenergie mittels FRET als Fluoreszenzstrahlung auf einen nahegelegenen anderen Farbstoff übertragen. Und hier sitzt im wahrsten Sinne des Wortes der Clou des vorgestellten Steckbrett-Designs, der grüne „Springer“-Farbstoff. Denn je nachdem, wo dieser positioniert wird, leitet er die Lichtenergie entweder in Richtung des roten oder in Richtung des infraroten „Ausgangs“-Farbstoffs. Welcher Weg eingeschlagen wurde, zeigt die Farbe des Ausgangssignals.

In diesem neuartigen Ansatz kombinierten die Wissenschaftler um Philip Tinnefeld erstmals die Nutzung von DNA als Trägermaterial mit Vier-Farben Einzelmolekül Spektroskopie, um das Schalten von Energietransfer-Pfaden zu visualisieren. Die DNA-Origami-Objekte bieten grundsätzlich zahlreiche Bindestellen zum Verankern von anderen Molekülen und können somit als molekulares Steckbrett oder „Nano-Platine“ angesehen werden. Die vorgestellte Vier-Farben Spektroskopie mit alternierender Laseranregung kann zudem umfassende Informationen über Objekte auf der Nanoskala liefern, sowohl über ihre Struktur als auch über ihre Wechselwirkungen. Das neue Verfahren eignet sich außerdem für hochsensitive Analytik. Dazu können die Wissenschaftler das System so konstruieren, dass sie über Lichtsignale schon die Bindung einzelner Moleküle einer gesuchten Substanz nachweisen können. (NIM)

Publikation:
„Single-Molecule Four-Color FRET Visualizes Energy-Transfer Paths on DNA Origami”;
Ingo H. Stein, Christian Steinhauer and Philip Tinnefeld;
J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4193–4195
Ansprechpartner:
Prof. Philip Tinnefeld
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Technische Universität Braunschweig
p.tinnefeld@tu-braunschweig.de
Tel.: 0531 / 391 – 5330
Ingo Stein
Institut für Angewandte Physik / Biophysik
Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München
ingo.stein@physik.uni-muenchen.de
Tel.: 089 / 2180 – 1438