Optische Nano-Spannungssensoren auf der Basis von DNA-Selbstassemblierung

• Antragsteller: Professor Dr. Philip Tinnefeld
• 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 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 319003204

Lebende Zellen verwenden ihr Membranpotential für fundamentale Funktionen wie Energieproduktion, Informationsverarbeitung und -Weiterleitung. Experimentelle Methoden zur quantitativen Bestimmung von Membranspannungen sind von höchster Bedeutung in den Neurowissenschaften und insbesondere in der Gehirnforschung. Die im Moment verfügbaren Techniken basieren auf optischen Messungen der Membranpotentiale sind aber durch niedrige Sensitivität, geringe Geschwindigkeit und hohe Invasivität limitiert. Diese häufig genetisch kodierten Sensoren basieren auf unstabilen fluoreszierenden Proteinen und benötigen Eingriffe in das Genom des untersuchten Organismus, was den Einsatz im Menschen ausschließt. In diesem Projekt schlagen wir einen neuen Ansatz für optische spannungssensitive Nano-Bauelemente (Voltage Sensing Nano-Device, VSND) vor, der auf zwei komplementären Entwürfen beruht. Beide Ansätze verwenden DNA als Konstruktionsgerüst. Dieses DNA Gerüst ermöglicht die räumliche und chemische Kontrolle über alle wichtigen Funktionen der VSNDs, wie zum Beispiel die Positionierung in Membranen, den Spannungssensor und die Biokompatibilität. Lipophile Ankergruppen, die an das DNA Gerüst verknüpft sind, werden die VSNDs auf oder sogar in die Membran lenken. Ein elektrisch geladenes, flexibles Element, das ebenfalls mit dem DNA Gerüst verbunden und mit einem Fluoreszenzfarbstoff versehen ist, soll auf Veränderung des Membranpotentials reagieren. Die ausgelöste Bewegung des flexiblen Elements im elektrischen Feld wird mit Hilfe des Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfers zwischen einem Farbstoff am DNA Gerüst und dem Farbstoff auf dem flexiblen Bauteil detektiert. Ein spannungssensitives Membranfloß, das sich an die Membran haftet, ist mit flexiblen Armen ausgestattet, die in die Membran hineinreichen. Es bietet den Vorteil minimaler Invasivität. Parallel werden wir eine spannungssensitive Membranpore, die sich in die Membran integriert und den Sensor geschützt in der zentralen Pore aufweist, entwickeln. Dieser Ansatz schützt den eigentlichen Spannungssensor vor heterogenen Veränderungen der lokalen Umgebung. Unsere VSNDs werden mit Hilfe simultaner elektrischer und optischer Messungen getestet und kalibriert. Dazu wird eine Apparatur entwickelt, auf der die VSNDs auf Modellmembranen mit Hilfe von Nanopipetten untersucht werden. Die korrelativen Messungen werden Transmembran-spannungen in einem Forschungsgebiet optisch quantifizierbar machen, das bisher von qualitativen Messungen dominiert wird. Im nächsten Schritt werden wir die VSNDs für die Quantifizierung von Membranpotentialen in lebenden Bakterien und Eukaryontenzellen mit verbesserter räumlicher und zeitlicher Auflösung untersuchen. Diese Experimente werden die benötigte Sensitivität und Geschwindigkeit unter Beweis stellen, um fundamentale Fragen bzgl. der Rolle des bakteriellen Membranpotentials und eukaryontischer Membran- und Axon-Potentiale zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ulrich Felix Keyser