Multispektrale Bildgebung von Catecholamin Neurotransmittern im nahen Infrarot mit fluoreszenten Nanosensoren

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Kruss
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426834208

In diesem Projekt sollen im nahen Infrarot fluoreszierende Nanosensoren für Neurotransmitter synthetisiert sowie ihre Kinetik und Selektivität untersucht werden. Damit soll die multispektrale Bildgebung chemischer Kommunikation zwischen Zellen ermöglicht werden.Chemischer Informationsaustausch in multizellulären Systemen ist einer der zentralen biologischen Prozesse und motiviert dieses Projekt. Ein besonders wichtiges Beispiel dafür sind neuronale Netzwerke im menschlichen Gehirn. Bisher ist es kaum möglich chemische Kommunikation mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung abzubilden. Dadurch können viele drängende Fragen zum chemischen Informationsaustausch nicht beantwortet werden. Wir haben vor kurzem gezeigt, dass halbleitende einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) als Bausteine für (molekulare) Sensoren/Sonden dienen können. SWCNTs bestehen aus einer einzelnen Schicht Kohlenstoff, die in Form eines Zylinders aufgewickelt ist. Sie besitzen eine größenabhängige Bandlücke die zu Fluoreszenz im nahen Infrarot (nIR) führt (900 nm - 1700 nm), einem aufgrund der geringen Streuung und des niedrigen Hintergrunds besonders interessanten spektralen Bereich. Unsere bisherigen Ergebnisse zeigen, dass mit einzelsträngigen DNA Sequenzen funktionalisierte SWCNTs wichtige Catecholamin Neurotransmitter wie Dopamin detektieren können. Wenn die aus der DNA bestehende organische Phase (Korona) mit Dopamin interagiert, verändert sich die Fluoreszenz der SWCNTs. Das Ziel dieses Projektes ist es, verschiedene Sensoren für Catecholamine (Dopamin, Epinephrin, Norepinephrin) zu erzeugen, indem die immobilisierte DNA-Sequenz verändert wird. Wir planen erstmals die Kinetik (Geschwindigkeitskonstanten der Hin- und Rückreaktion) in Einzelmolekül-Experimenten zu messen. Dazu wird ein spezielles nIR Fluoreszenzmikroskop genutzt, mit dem einzelne Sensoren unterschiedlicher Farbe (Emissionswellenlängen) aufgelöst werden können. Unsere theoretischen Simulationen zeigen, dass nur Sensoren mit bestimmter Kinetik schnelle Prozesse wie die Freisetzung und Diffusion von Neurotransmittern auflösen können. Mit den geplanten Experimenten wollen wir verstehen, wie die Korona (DNA-Sequenz) Geschwindigkeitskonstanten, Photophysik und Selektivität gegenüber ähnlichen Catecholaminen beeinflusst. Gleichzeitig sollen Sensoren mit den passenden Eigenschaften für die schnelle chemische Bildgebung identifiziert werden. Eine Grundidee des Projekts ist, verschiedene Sensoren zu kombinieren und dadurch Sensitivität und Selektivität zu erhöhen. Hierfür werden Sensoren unterschiedlicher Farbe (Emissionswellenlänge) und Kinetik/Selektivität gleichzeitig abgebildet (Multiplexverfahren durch multispektrale Bildgebung). Um die Leistungsfähigkeit dieser neuen chemischen Bildgebungsmethode im nahen Infrarot zu demonstrieren, soll schließlich die Catecholamin-Freisetzung von Zellen abgebildet und aufgelöst werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen