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Ein „Lineal“ für Moleküle: Göttinger Forscher entwickeln Verfahren mit verbesserter Auflösung

03.09.2019

Forscherinnen und Forscher der Universität Göttingen haben ein neues Verfahren entwickelt, das die speziellen Eigenschaften von Graphen nutzt, um mit fluoreszierenden (lichtemittierenden) Molekülen elektromagnetisch zu interagieren. Mit diesem Verfahren können Wissenschaftler erstmals extrem kleine Distanzen in der Größenordnung von 1 Ångström (der zehnmillionste Teil eines Milimeters) genau und reproduzierbar optisch messen. Das Team bestimmte so die Dicke von Lipid-Doppelschichten, dem Stoff, der die Membranen lebender Zellen bildet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.

Das Forschungsteam der Universität Göttingen unter der Leitung von Prof. Dr. Jörg Enderlein verwendete ein einziges Graphenblatt, nur eine Atomschicht dick (0,34 nm), um die Emission von lichtemittierenden (fluoreszierenden) Molekülen zu variieren, wenn sie sich dem Graphenblatt näherten.


Bild von einzelnen Molekülen auf dem Graphenblatt. Der Vergleich mit dem erwarteten Bild (rechts) zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung.

Universität Göttingen


Eine farbstoffmarkierte Membran, die unter polarisiertem Licht gesehen wird (Pfeil). Dies zeigt, dass die Moleküle entlang des Umfangs der Membran ausgerichtet sind.

Universität Göttingen

Die ausgezeichnete optische Transparenz von Graphen und seine Fähigkeit, die Emission der Moleküle durch den Raum zu beeinflussen, machten es zu einem äußerst empfindlichen Werkzeug zur Messung der Entfernung einzelner Moleküle vom Graphenblatt.

Die Methode ist so genau, dass selbst kleinste Abstandsänderungen von etwa 1 Ångström (das entspricht etwa dem Durchmesser eines Atoms oder einem halben Millionstel eines menschlichen Haares) aufgelöst werden können. Dies konnten die Wissenschaftler zeigen, indem sie einzelne Moleküle über einer Graphenschicht absetzten.

Sie konnten dann ihre Entfernung bestimmen, indem sie deren Lichtemission vermaßen und auswerteten. Dieses Vorgehen bietet ein äußerst empfindliches und präzises „Lineal" für die Bestimmung einzelner Molekülpositionen im Raum.

Mit diesem Verfahren wurde die Dicke von einzelnen Lipiddoppelschichten gemessen, die aus zwei Schichten von Fettsäurekettenmolekülen bestehen und eine Gesamtdicke von nur wenigen Nanometern aufweisen.

„Unser Verfahren hat ein enormes Potenzial für die Superauflösungsmikroskopie, da es uns ermöglicht, einzelne Moleküle mit Nanometerauflösung nicht nur lateral wie bei früheren Verfahren, sondern auch mit ähnlicher Genauigkeit entlang der dritten Richtung zu lokalisieren, was eine echte dreidimensionale optische Abbildung auf der Längenskala von Makromolekülen ermöglicht", sagt Arindam Ghosh, Erstautor der Studie.

„Dies wird ein leistungsfähiges Werkzeug mit zahlreichen Anwendungen sein, um Entfernungen mit Sub-Nanometer-Genauigkeit in einzelnen Molekülen, molekularen Komplexen oder kleinen zellulären Organellen aufzulösen", ergänzt Enderlein, korrespondierender Autor und Leiter des Dritten Physikalischen Instituts (Biophysik), an dem die Arbeit geleistet wurde.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Jörg Enderlein
Georg-August-Universität Göttingen
Biophysik/ Komplexe Systeme
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon: 0551 39 26908
E-Mail: joerg.enderlein@phys.uni-goettingen.de
www.uni-goettingen.de/de/102461.html

Arindam Ghosh
Georg-August-Universität Göttingen
Biophysik/ Komplexe Systeme
Tel: 0551 39 26908
E-Mail: arindam.ghosh@phys.uni-goettingen.de
www.uni-goettingen.de/de/people/513422.html

Originalpublikation:

Arindam Ghosh et al. 'Graphene-based metal-induced energy transfer for sub-nanometre optical localization. Nature Photonics (2019). https://doi.org/10.1038/s41566-019-0510-7

Thomas Richter | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-goettingen.de/

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