Ein Lineal für Moleküle: Göttinger Forscher entwickeln Verfahren mit verbesserter Auflösung

Physik-News vom 03.09.2019


Forscherinnen und Forscher der Universität Göttingen haben ein neues Verfahren entwickelt, das die speziellen Eigenschaften von Graphen nutzt, um mit fluoreszierenden (lichtemittierenden) Molekülen elektromagnetisch zu interagieren. Mit diesem Verfahren können Wissenschaftler erstmals extrem kleine Distanzen in der Größenordnung von 1 Ångström (der zehnmillionste Teil eines Milimeters) genau und reproduzierbar optisch messen. Das Team bestimmte so die Dicke von Lipid-Doppelschichten, dem Stoff, der die Membranen lebender Zellen bildet.

Das Forschungsteam der Universität Göttingen unter der Leitung von Prof. Dr. Jörg Enderlein verwendete ein einziges Graphenblatt, nur eine Atomschicht dick (0,34 nm), um die Emission von lichtemittierenden (fluoreszierenden) Molekülen zu variieren, wenn sie sich dem Graphenblatt näherten. Die ausgezeichnete optische Transparenz von Graphen und seine Fähigkeit, die Emission der Moleküle durch den Raum zu beeinflussen, machten es zu einem äußerst empfindlichen Werkzeug zur Messung der Entfernung einzelner Moleküle vom Graphenblatt.


Bild von einzelnen Molekülen auf dem Graphenblatt. Der Vergleich mit dem erwarteten Bild (rechts) zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung.

Publikation:


Arindam Ghosh et al.
Graphene-based metal-induced energy transfer for sub-nanometre optical localization
Nature Photonics (2019)

DOI: 10.1038/s41566-019-0510-7



Die Methode ist so genau, dass selbst kleinste Abstandsänderungen von etwa 1 Ångström (das entspricht etwa dem Durchmesser eines Atoms oder einem halben Millionstel eines menschlichen Haares) aufgelöst werden können. Dies konnten die Wissenschaftler zeigen, indem sie einzelne Moleküle über einer Graphenschicht absetzten. Sie konnten dann ihre Entfernung bestimmen, indem sie deren Lichtemission vermaßen und auswerteten. Dieses Vorgehen bietet ein äußerst empfindliches und präzises „Lineal" für die Bestimmung einzelner Molekülpositionen im Raum. Mit diesem Verfahren wurde die Dicke von einzelnen Lipiddoppelschichten gemessen, die aus zwei Schichten von Fettsäurekettenmolekülen bestehen und eine Gesamtdicke von nur wenigen Nanometern aufweisen.

„Unser Verfahren hat ein enormes Potenzial für die Superauflösungsmikroskopie, da es uns ermöglicht, einzelne Moleküle mit Nanometerauflösung nicht nur lateral wie bei früheren Verfahren, sondern auch mit ähnlicher Genauigkeit entlang der dritten Richtung zu lokalisieren, was eine echte dreidimensionale optische Abbildung auf der Längenskala von Makromolekülen ermöglicht", sagt Arindam Ghosh, Erstautor der Studie.


Eine farbstoffmarkierte Membran, die unter polarisiertem Licht gesehen wird (Pfeil). Dies zeigt, dass die Moleküle entlang des Umfangs der Membran ausgerichtet sind.

„Dies wird ein leistungsfähiges Werkzeug mit zahlreichen Anwendungen sein, um Entfernungen mit Sub-Nanometer-Genauigkeit in einzelnen Molekülen, molekularen Komplexen oder kleinen zellulären Organellen aufzulösen", ergänzt Enderlein, korrespondierender Autor und Leiter des Dritten Physikalischen Instituts (Biophysik), an dem die Arbeit geleistet wurde.


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