pH-Sensor für Zellorganellen

Säuregehalte (pH) und ihre Änderungen spielen eine wichtige Rolle für physiologische Vorgänge wie die Proteinfaltung und können Hinweise auf Tumorerkrankungen geben.

Amerikanische Forscher stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun einen unkonventionellen pH-Sensor vor, mit dem sich pH-Wertänderungen in lebenden Zellen über längere Zeiträume mit bisher unerreichter räumlicher Auflösung verfolgen lassen. Dies gelang dank einer Kombination fluoreszierender Nanokristalle mit beweglichen molekularen „Armen“, die sich in Abhängigkeit des umgebenden pH-Wert zusammenfalten oder ausstrecken.

Endosomen, Zellorganellen, die beim Transport innerhalb von Zellen eine Rolle spielen, zeigen einen deutlichen Abfall des pH-Werts während ihrer Reifung. Diesen Vorgang beobachtete das Team um Moungi G. Bawendi vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge (USA) mit ihrem neuen nanoskopischen pH-Sensors und einem Fluoreszenzmikroskop. Erfolgsgeheimnis ist dessen unkonventioneller Aufbau: Ein beweglicher molekularer „Arm“ verbindet einen grün fluoreszierenden Nanokristall mit einem roten Fluoreszenzfarbstoff. Nanokristalle sind Partikel aus Halbleitermaterialien, die aufgenommene Lichtenergie in einem strahlungsfreien Mechanismus (Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer, FRET) leicht auf Fluoreszenzfarbstoffe übertragen und diese so zum Leuchten bringen können – vorausgesetzt, beide FRET-Partner liegen nah genug beieinander.

Wie nahe sich Nanokristall und Farbstoff kommen, wird beim Nano-pH-Sensor über ein Zusammenfalten und Ausstrecken des Arms gesteuert – und diese Bewegung ist pH-abhängig. Der Arm besteht aus einem Stück doppelsträngiger und einem Stück einzelsträngiger DNA. Mit steigender Konzentration an H+-Ionen erhöht sich die Neigung zur Bildung eines „Dreierstrangs“, der Einzelstrang legt sich in die Furche des Doppelstrangs und „beugt“ dabei den Arm. Diese „Armbewegung“ findet im physiologisch interessanten Bereich um pH 7 herum statt und reagiert sehr sensibel auf kleinste Änderungen.

Bei höherem pH ist der Arm ist gestreckt, die FRET-Partner zu weit voneinander entfernt für einen Energietransfer, der Nanokristall leuchtet grün, der Farbstoff leuchtet nicht. Wird der pH niedriger, wird der Arm gefaltet, es kommt zum FRET-Energietransfer. Das grüne Leuchten des Nanokristalls nimmt ab, der Farbstoff beginnt rot zu leuchten. Da das Verhältnis zwischen grüner und roter Fluoreszenz und keine Absolutwerte gemessen werden, spielen Intensitätsschwankungen keine Rolle, der Sensor verfügt damit über eine eingebaute Referenz.

Der eigentliche „pH-Fühler“ und der optische Signalgeber sind zwei separate Bauteile bei diesem Sensortyp. Durch Austausch des pH-Fühlers durch einen molekularen Arm, der auf einen anderen Analyten antwortet, sind unter Beibehaltung des optischen Signalgebers Sensoren für andere Zielmoleküle denkbar.

Aufgrund ihrer attraktiven optischen Eigenschaften haben nanokristalline Fluorophore großes Interesse auf sich gezogen. Insbesondere in der Biologie wären sie ideal, um die Abläufe innerhalb von Zellen aufzuklären, und zeigen sich traditionellen molekularen Fluoreszenzfarbstoffen deutlich überlegen. Allerdings war es bisher schwer, die neuen Nanomaterialien in die Form von Fluoreszenzsensoren zu überführen. Das neue Konzept, bei dem eine molekulare Konformationsänderung genutzt wird, könnte eine generelle Lösung für diese Aufgabe sein.

Angewandte Chemie: Presseinfo 48/2012

Autor: Moungi G. Bawendi, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge (USA), http://nanocluster.mit.edu/people.php

Angewandte Chemie, Permalink to the article: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201207181

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