10.06.2021
Graphen hat großes Potential, die Fluoreszenzmikroskopie zu revolutionieren – es könnte eine neue Standardplattform in der Mikroskopie werden. Ein Forschungsteam der LMU hat nun mit drei Nanometern einen neuen Auflösungsweltrekord aufgestellt.
Honigwabenstruktur von Graphen. | © Vera Hiendl / e-conversion
2D-Materialien mit einer Schichtdicke von einem einzigen Atom sind von großem Interesse für alternative Energiequellen, Batterien und medizinische Anwendungen. Das bekannteste Beispiel ist Graphen, eine bienenwabenartige Struktur aus Kohlenstoffatomen. Welche bedeutende Rolle das Material spielt, zeigt die Verleihung des Nobelpreises 2010 für die Erforschung seiner außergewöhnlichen Eigenschaften.
In der Mikroskopie kann Graphen als Energieakzeptor genutzt werden. So absorbiert es beispielsweise die Energie eines fluoreszierenden Moleküls, wenn dieses maximal einen Abstand von bis zu 40 Nanometern zu seiner Oberfläche besitzt. Dabei hängt die Helligkeit eines solchen fluoreszierenden Moleküls stark von seinem Abstand zum Graphen ab: Je geringer der Abstand zwischen dem Fluorophor und Graphen ist, desto mehr Energie wird übertragen. Dies reduziert die Fluoreszenzintensität. Durch Messung der Helligkeit können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Abstände zwischen dem Fluorophor und Graphen auflösen, die so klein sind wie ein Molekül selbst.
In zwei Publikationen zeigt nun das Team um LMU-Chemiker Prof. Philip Tinnefeld, Mitglied im Exzellenzcluster e-conversion, gemeinsam mit Kollegeninnen von der polnischen Akademie der Wissenschaften Warschau das große Potential von Graphen für die Mikroskopie. Bevor die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit ihrem Experiment beginnen konnten, mussten sie eine Methode für den Transfer von Graphen auf Deckgläser mit einer makellosen Qualität etablieren. Um dieses Ziel zu erreichen, testeten sie insgesamt zehn verschiedene Ansätze und quantifizierten diese mit drei unterschiedlichen Mikroskopie-Techniken. Erst dieses Verfahren ermöglichte ihnen, den Einfluss von Graphen auf verschiedene fluoreszierende Moleküle zu untersuchen.
Um die Fluoreszenzmoleküle mit einem definierten Abstand zum Graphen zu platzieren, machten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler winzige biologische Strukturen zunutze. Diese sind aus Nukleotiden aufgebaut – den gleichen Bausteinen wie in der menschlichen DNA. Die Fachleute aus München und Warschau sind in der Lage, die Reihenfolge der Nukleotide so zu programmieren, dass diese beliebige Strukturen bilden. In Anlehnung an die japanische Tradition Papier in verschiedene Formen zu falten, heißen sie „DNA-Origami-Strukturen“.
Durch Graphen konnten wir eine Auflösung von unter drei Nanometern erreichen, was bisher noch nie gezeigt wurde.Johann Bohlen, LMU, Department Chemie
Die Forschergruppen nutzten diese Methode, um nanometergenau eine ganze Reihe von selbst entworfenen statischen und dynamischen Strukturen mit fluoreszierenden Molekülen zu positionieren. Dabei haben sie einen Weltrekord in der mikroskopischen Auflösung erzielt und können zwei Moleküle unterscheiden, die nur drei Nanometer voneinander entfernt sind. „Durch Graphen konnten wir eine Auflösung von unter drei Nanometern erreichen, was bisher noch nie gezeigt wurde“, erklärt Johann Bohlen, einer der Erstautoren, erklärt die Bedeutung der aktuellen Ergebnisse. „Frühere Veröffentlichungen kamen nur mit Hilfe komplexer Aufbauten oder aufwendiger Kalibrierung an diese Auflösung heran. Unser Ansatz wird hochauflösende Experimente für viele Labore auf der ganzen Welt ermöglichen, um so biologische und medizinische Fragestellungen zu beantworten."
Der Energietransfer zwischen den DNA-Origami-Strukturen und Graphen ist für viele Bereiche der Biophysik, Biosensorik und superauflösende Mikroskopie interessant. Ein Einsatzgebiet sind biologische Sensoren, die wie ein Schalter funktionieren. Auf der Graphen-Schicht befestigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dazu modifizierte DNA-Origami-Strukturen, an die andere DNA-Stränge binden können. Sobald dies geschieht, bindet der Farbstoff an eine andere Stelle der DNA-Origami-Struktur, welche weiter vom Graphen entfernt ist: Der „Aus“-Zustand mit einem nur schwach leuchtenden Fluoreszenzmolekül wechselt in den „An“-Zustand, in dem dessen Helligkeit signifikant zunimmt.
Das zweite Beispiel sind dynamische Sensoren. Hierbei messen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise die Fluktuationen eines flexiblen DNA-Strangs. Über die Fluoreszenzveränderungen können sie zeigen, dass die Bewegung des Strangs von der Viskosität der Umgebung sowie von der Masse eines anbindenden Biomoleküls beeinflusst wird.
Die aktuellen Veröffentlichungen der Tinnefeld-Gruppe zeigen, wie man Graphen für Einzelmolekülexperimente übertragen und einsetzen kann. Und sie fassen eine Vielzahl von Graphen-basierten Anwendungen für ein breites Spektrum von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zusammen.
Die Publikationen sind online abrufbar:
Philip Tinnefeld et al.: Graphene Energy Transfer for Single-Molecules Biophysics, Biosensing & Superresolution Microscopy. Advanced Materials, 2021.
Philip Tinnefeld et al.: Graphene-on-Glass Preparation and Cleaning Methods Characterized by Single-Molecule DNA Origami Fluorescent Probes and Raman Spectroscopy. ACS Nano 2021.