Sensitiv, selektiv, räumlich und zeitlich aufgelöst: ATP-Detektion in lebenden Zellen mit Kohlenstoffnanoröhrchen und Luciferase

16.02.2010 - USA

Alle lebenden Zellen brauchen einen „Brennstoff“ um zu funktionieren: Adenosintriphosphat (ATP), gewissermaßen das Benzin der Zelle. ATP innerhalb von Zellen zu detektieren, kann Forschern helfen, Energie verbrauchende physiologische Prozesse zu beobachten, z. B. Signalkaskaden oder Transportvorgänge. Zudem steht eine Verarmung an ATP mit bestimmten Erkrankungen im Zusammenhang, wie Parkinson und Ischämie (Minderdurchlutung von Gewebe). Ein Team um Michael S. Strano vom Massachusetss Institute of Technology in Cambridge (USA) hat nun einen empfindlicheren, höher auflösenden und dabei robusteren Nachweis für ATP entwickelt. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, basiert die Methode auf Kohlenstoffnanoröhrchen.

ATP wird üblicherweise mit dem so genannten Luciferase-Test nachgewiesen. Luciferasen sind Enzyme, die in Leuchtkäfern und anderen biolumineszenten Organismen zur Erzeugung von Licht genutzt werden. Sie setzen ein Substrat namens Luciferin mit Sauerstoff zu Oxyluciferin um, das anschließend weiterreagiert und dabei das Leuchten verursacht. Bestimmte Luciferasen nutzen für ihre Reaktion ATP. Diese gängige Luciferase-Methode ist aufwändig, zeitraubend und leidet unter einem schlechten Signal/Rausch-Verhältnis.

Das MIT-Team hat nun eine neue Variante der Luciferase-Methode entwickelt. Die Luciferase wird dabei an Kohlenstoffnanoröhrchen geknüpft. In dieser Form wird das Enzym leicht von Zellen aufgenommen. In Anwesenheit von Luciferin und ATP entsteht wie gehabt Oxyluciferin, das eine Fluoreszenz erzeugt. Was aber hier interessanter ist: Kohlenstoffnanoröhrchen zeigen normalerweise eine Fluoreszenz im nahen infraroten (nIR) Spektralbereich. Diese wird durch die Luciferase-Reaktion aber in Abhängigkeit von der zugeführten ATP-Konzentration ausgelöscht. Warum? „Das entstehenden Produkt Oxyluciferin lagert sich fest an die Röhrchen an“, erläutert Strano. „Dabei werden Elektronen des Nanoröhrchens auf das Oxyluciferin übertragen. In diesem Zustand kann das Kohlenstoffnanoröhrchen dann nicht mehr fluoreszieren.“ Die Abnahme der nIR-Fluoreszenz kann gut detektiert werden und dient als Maß für die ATP-Konzentration.

„Unser neuer Sensor ist sehr selektiv für ATP“, so Strano weiter. „Es war uns damit möglich, in einer Zellkultur die zeitliche und räumliche Veränderung von ATP-Konzentrationen zu beobachten.“

Originalveröffentlichung: Michael S. Strano et al.; "A Luciferase/Single-walled Carbon Nanotube Conjugate for Near-Infrared Fluorescent Detection of Cellular ATP"; Angewandte Chemie 2010, 122, No. 8, 1498-1501

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