Nanoporen auf dem Chip
Einsatz für analytische Aufgaben in Chemie und Biologie
Biologische Nanoporen sind Proteine von wenigen Nanometern Größe, die winzige wassergefüllte Kanäle bilden. Sie haben sich als viel versprechende Werkzeuge in der Nanobiotechnologie herausgestellt. In Zusammenarbeit zwischen der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jan C. Behrends, Physiologisches Institut, und dem Lehrstuhl von Prof. Dr. Jürgen Rühe, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg ist es nun erstmals gelungen, sie auf einem winzigen Mikrochip anzuordnen und damit die Masse von kettenförmigen Molekülen, so genannten Polymeren, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Dabei übernehmen die Nanoporen die Rolle des eigentlichen Meßfühlers. Die Neuentwicklung wird entscheidend dabei helfen, das große Potenzial der Nanoporenanalytik für die Chemie und die Lebenswissenschaften auszuschöpfen, so die Hoffnung des Freiburger Wissenschaftlers Dr. Gerhard Baaken, Erstautor der soeben in der Zeitschrift ACSNano der American Society for Chemistry erschienenen Studie.
In der Natur dienen Nanoporen häufig dem Transport größerer Moleküle, zum Beispiel dem Durchschleusen von Proteinen durch Membranen. Auch Bakterien machen sich Nanoporen zunutze, um Zellen infizierter Organismen zu zerstören. Dies gilt auch für das alpha-Hämolysin, ein von Staphylokokken produziertes Protein, das rote Blutkörperchen zerstören kann. Neuerdings wird dieses Protein aber auch für analytische Aufgaben in Chemie und Biologie eingesetzt. Gerät ein größeres Molekül in die Pore, wird diese für Sekundenbruchteile teilweise verstopft. Durch die Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Pore wird die Anwesenheit eines einzelnen Moleküls in der Hämolysinpore ganz ähnlich wie durch eine Lichtschranke erfasst. Gleichzeitig kann man so auch die Größe des Moleküls sehr genau messen. Auf dieses Prinzip richten sich große Hoffnungen von der Analyse synthetischer Polymermischungen bis hin zur Analyse von Erbmaterial und der schnellen und kostengünstigen Sequenzierung von DNA.
Den Freiburger Wissenschaftlern ist es nun gelungen, Messungen auf einem eigens entwickelten Biohybrid-Mikrosensor aus biologischen und mikrotechnisch hergestellten Teilen durchzuführen. Er enthält auf einem Quadratmillimeter 16 miniaturisierte künstliche Zellmembranen. Die einzelnen Membranen überspannen winzige Töpfchen, jedes mit einem Durchmesser von etwa zwei Hundertstel Millimeter. Das entspricht etwa einem Drittel der Dicke eines menschlichen Haares. In der soeben erschienenen Veröffentlichung konnten die Autoren zeigen, dass sie mit ihrem Chip die Größenverteilung eines Polymers bis auf ein Kettenglied genau bestimmen können. Um derart genaue Ergebnisse zu erhalten, sind bisher teure Großgeräte notwendig, die ganze Räume füllen.
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