Single Molecule Translocation through Biological Nanopores with Optical Tweezers

• Applicant: Professor Dr. Dario Anselmetti
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics ; Biophysics
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 269589970

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Das vorrangige Ziel dieses Antrags war es, die Translokation einzelner Polymermoleküle durch einzelne membrangebundene Bioporen mittels optischer Pinzetten zu untersuchen. Dieses ambitionierte Thema ist modellhaft von großer Bedeutung für viele biophysikalische Transportprozesse in-, an- und durch biologische Membranen, und erweitert methodisch die erfolgreichen Einzelmolekülexperimente zur molekularen Translokation an künstlichen Festkörper-Nanoporen. Für diese Fragestellung entwickelten wir zuerst erfolgreich ein bestehendes, äußerst empfindliches Pinzettensystem weiter, um die an Nanomembranen ablaufenden Prozesse schneller und empfindlicher vermessen zu können. Hier gelangen als Testexperimente auch erstmalig nanomechanisch-kontrollierte Translokationsexperimente mit DNA-Molekülen durch atomar dünne MoS2-Nanoporen. Für die darauf aufbauenden Experimente an biologischen Nanoporen (Bioporen) mussten die Festkörpermembranen durch biologische Lipid-Doppelschichten ersetzt werden. Die verschiedenen untersuchten Präparationsprozesse zeigten aber alle, dass die derart auf den Mikrochip immobilisierten biologischen Membranen, zu empfindlich für die nanomechanischen Untersuchungen sind. Als Abhilfe verwendeten wir durch UV-Strahlung vernetzbare Lipidschichten. Hier zeigte sich, dass diese sowohl in Flüssigkeiten, Luft und unter Vakuumbedingungen sehr robuste und stabile Nanomembranen ausbilden. Leider zeigte sich im Verlauf des Forschungsprojekts, dass sich die Bioporen, auch unter Variation der unterschiedlichsten Präparationsbedingungen, nicht in diese Membranen integrieren ließen. Um dieses Problem lösen zu können, befassten wir uns im Anschluss vertieft in den molekularen Membranbildungsprozess, den wir mittels Rasterkraftmikroskopie und IR-Spektroskopie untersuchten. Diesem Forschungsantrag entsprangen eine Zahl durchaus bemerkenswerter Publikationen, sowie wichtige neue Erkenntnisse auf dem Gebiet neuer künstlicher Nanomembransysteme. Dieses letztgenannte Thema erfreut sich besonders in der letzten Zeit einer erfreulichen Aktualität und ist mittlerweile zu einem eigentlichen Arbeitsschwerpunkt meiner Arbeitsgruppe geworden.

Publications

• (2019) Biphasic Formation of 2D Nanomembranes by Photopolymerization of Diacetylene Lipids as Revealed by Infrared Difference Spectroscopy. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids 35 (29) 9343–9351
  Gilzer, Dominic; Hillmann, Roland; Goett-Zink, Lukas; Klocke, Jessica L.; Viefhues, Martina; Anselmetti, Dario; Kottke, Tilman
  
• Controlled Translocation of DNA Through Nanopores in Carbon Nano-, Silicon-Nitride- and Lipid-Coated Membranes; Analyst 140, 4843-4847, 2015
  A. Sischka, L. Galla, A. J. Meyer, A. Spiering, S. Knust, M. Mayer, A. R. Hall, A. Beyer, P. Reimann, A. Gölzhäuser and D. Anselmetti
  
• Measuring DNA Translocation Forces Through MoS2 -Nanopores with Optical Tweezers; Materials Today: Proceedings, 4 (Suppl. 2), S168–S173, 2017
  S. Knust, D. Kreft, R. Hillmann, A. Meyer, M. Viefhues, P. Reimann, and D. Anselmetti
  
• Preparation of 2D Phospholipid and Copolymer Nanomembranes; Materials Today: Proceedings, 4 (Suppl. 2), S87–S92, 201
  R. Hillmann, D. Gilzer, N. Biere, S. Knust, M. Viefhues, K. Toensing, T. Kottke, and D. Anselmetti
  
• Characterization of Robust and Free-Standing 2D-Nanomembranes of UV-Polymerized Diacetylene Lipids; Langmuir 34 (10), 3256–3263, 2018
  R. Hillmann, M. Viefhues, L. Goett-Zink, D. Gilzer, Th. Hellweg, A. Gölzhäuser, T. Kottke, and D. Anselmetti