Nanofluidische und Nanophotonische Studie von biomolekularen Wechselwirkungen

• Antragsteller: Siddharth Ghosh, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405479535

Aktuell in der Diagnostik verwendete biochemische Assays sind nicht sensitiv gegenüber einzelnen Molekülen, was zur Erfassung früher biomolekularer Wechselwirkungen in neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson, Prionerkrankungen oder amyotropher Lateralsklerose jedoch von entscheidender Bedeutung wäre. Es gibt zwei primäre Probleme, die für die begrenzte Sensitivität verantwortlich sind. Das erste ist die Diffusion, die zufällige Bewegung von Molekülen in Flüssigkeit, das zweite ist das Markieren der betreffenden Moleküle mit einem effizienten und stabilen Fluoreszenzfarbstoff zur optischen Detektion. Zur Lösung dieser Probleme schlagen wir ein integriertes Einzelmolekül-Gerät, einen Chip, vor, in welchem Moleküle eines nach dem anderen transportiert und in parallelisierter Form von einer Mehrzahl auf dem Chip befindlicher Graphen-Detektoren erfasst werden, ohne auf Fluoreszenzmarker zurückzugreifen ("label free"). Die Vorrichtung enthält Fluidkanäle mit Durchmessern in der Größenordnung der Moleküle, wenige Nanometer (nm) - 100.000-mal dünner als der Durchmesser eines menschlichen Haars - um die diffusionsinduzierte Flucht einzelner Moleküle aus dem Detektionsvolumen zu vermeiden. Diese so genannten Nanokanäle sind mit mit nm-breiten Graphen-Bändern versehen (monoatomare kristalline Schichten aus Kohlenstoffatomen, die außergewöhnliche, größenabhängige optische und elektronische Eigenschaften aufweisen), die optisch angeregt und elektronisch erfasst werden. Die diskreten Einzelmolekül-Transits durch die Nanokanäle unterbrechen die angeregten Zustände des Graphen aufgrund schwacher Wechselwirkung. Die erfassten Unterbrechungen von mehr als einem benachbarten Nanobänder werden korreliert, um die biomolekularen Wechselwirkungen auf Einzelmolekülebene in einer kontrollierten Umgebung zu bestimmen, indem die Diffusionskoeffizienten und Fluidströmung von Biomolekülen analysiert werdem.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Tuomas Knowles, Ph.D.