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Plasmonische Hotspots für die Einzelmolekül-Biophysik

Fachliche Zuordnung Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Biophysik
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Förderung Förderung von 2015 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267681426
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Optische Antennen, die die Helligkeit von fluoreszierenden Molekülen um mehrere Größenordnungen erhöhen können, wurden bisher konventionell mit lithographischen Methoden hergestellt, die keine Möglichkeit bieten, um die Moleküle im Zeptoliter-Volumen mit der maximalen Fluoreszenzverstärkung spezifisch zu immobilisieren. Wir haben einen alternativen Weg für die Konstruktion dieser Nanostrukturen unter Verwendung der Selbstassemblierungsmethode DANN-Origami entwickelt, die in den letzten Jahren große Erfolge erzielt hat. Ein wichtiger Anwendungsbereich, den wir antizipiert haben, war das Gebiet der Einzelmolekül-Biophysik. Hier könnte die Fluoreszenzverstärkung viele Vorteile bieten: Zum Beispiel hilft die Antenne bei der Detektion von Einzelmolekül-Fluoreszenz in Einsatzgebieten, in denen das Hintergrundsignal der markierten Spezies sonst das Molekül von Interesse vollständig überlagern würde, was es dem Experimentator ermöglichen könnte, bei erhöhten, biologisch relevanten Konzentrationen von gelabelten Spezies zu arbeiten. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die erhöhte Photonenausbeute pro Zeiteinheit, die eine höhere zeitliche Auflösung in Einzelmolekül- FRET-Experimenten, z. B. zum Aufklären von Proteindynamik, ermöglicht. Ziel dieses Projekts war es daher, DANN-Origami-Nanoantennen so weit zu entwickeln, dass sie in genau diesen Gebieten eingesetzt werden können. Ein erstes Hindernis, das hierfür überwunden werden musste, war die Tatsache, dass die bisher verwendeten DANN-Origami- Designs nicht genügend Platz für die Immobilisierung größerer Moleküle im "Hotspot" zwischen den beiden plasmonischen Nanopartikeln boten. Aus diesem Grund haben wir die bisherige DANN-Origami-Struktur komplett neu entworfen, was zu einer verbesserten Zugänglichkeit des plasmonischen Hotspots führte, in dem nun auch größere biologische Assays und Proteine Platz finden. Dies haben wir z.B. durch die Durchführung eines komplexen Bioassays im plasmonischen Hotspot demonstriert. Im nächsten Schritt untersuchten wir mögliche photophysikalische Prozesse, die bei hohen Intensitäten des Anregungslasers auftreten, und fanden heraus, dass bestimmte Fluorophore für diese Aufgabe besser geeignet sind als andere. Anschließend nutzten wir unsere Erkenntnisse und die neu designte Nanoantenne für erste biophysikalische Experimente. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Schuler (Universität Zürich) immobilisierten wir ein intrinsisch ungeordnetes Protein (IDP), das mit einem kurzen DANN-Strang und einem Fluoreszenzfarbstoff markiert war, im plasmonischen Hotspot und beobachteten das Anbinden eines anderen farbstoffmarkierten IDPs bei hohen Anregungsintensitäten. Nach der Analyse mit einer etablierten photon-by-photon Maximum-Likelihood-Methode konnten wir die bereits in einer vorausgegangenen Arbeit bestimmte Lebensdauer eines transienten Begegnungskomplexes reproduzieren. Dies zeigte, dass die biologische Aktivität im plasmonischen Hotspot erhalten bleibt. Anschließend untersuchten wir die Hybridisierung zweier einzelsträngiger DANN-Moleküle mit Photonenraten von teilweise über 10 MHz, wodurch wir die "transition path time" für diese Reaktion von etwa 17 Gammasekunden bestimmen konnten. Zusammengefasst glauben wir, dass dieses Projekt die Einsatzmöglichkeiten von DANN-Origami-Nanoantennen in biophysikalischen Experimenten deutlich vorangebracht hat und sehen viele neue Anwendungen für unser System.

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