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CeNS Center for NanoScience LMU Ludwig-Maximilians-Universität München
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Grünes Licht für die Nanoelektronik

Optischer Schalter aus einzelnen Molekülen entwickelt

Im Forschungsgebiet Nanophotonik wird das Verhalten von Licht im Nanometerbereich untersucht und manipuliert. So könnte Licht in Zukunft beispielsweise in optischen Schaltkreisen die Rolle von elektrischen Strömen übernehmen. Auf kleinstem Raum haben diese optischen Schaltkreise das Potenzial, die Leistungsfähigkeit und Arbeitsgeschwindigkeit von elektronischen Schaltungen weit zu übertreffen. In der Arbeitsgruppe von Professor Philip Tinnefeld, haben wir (zwei Doktoranden des IDK NanoBioTechnologie des CeNS) in einem neuartigen Ansatz gezeigt, wie die Ausbreitungsrichtung von Licht bzw. Lichtenergie auf der Ebene einzelner Moleküle manipuliert werden kann. Dazu haben wir eine Kaskade von vier verschiedenen Fluoreszenz-Farbstoffmolekülen auf einer DNA-Plattform im Nanometer-Maßstab platziert. Mithilfe eines sogenannten „Springer“-Farbstoffs konnten wir dabei die Richtung des Lichtweges bzw. des Energietransfers kontrollieren. Der Erfolg dieser Strategie, die im Rahmen des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) entwickelt und von der Deutschen Forschungsgesellschaft gefördert wurde, konnte mit einer neuen Vier-farben-Einzelmolekültechnik sichtbar gemacht werden.

Um Licht auf der Nanoskala zu kontrollieren, bedarf es neuer optischer Bauteile, die als Drähte und Schalter fungieren. Als eine Art Draht könnte der Energietransfer zwischen einzelnen Farbstoffen wirken. In der Natur gibt es für diesen Transfer bereits ein prominentes Beispiel: In der Photosynthese wird Lichtenergie in Lichtsammelkomplexen zwischen Molekülen transportiert. Das Prinzip dieses sogenannten Fluoreszenz-Resonanzenergietransfers (FRET) wurde verwendet, um Licht von Fluoreszenz-Farbstoffmolekül zu Fluoreszenz-Farbstoffmolekül zu leiten. Dazu setzten wir Farbstoffe ein, die ihr Absorptionsmaximum im blauen, grünen, roten und infraroten Wellenlängenbereich besitzen.

 

 

© J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4193–4195

 

 

Damit die Moleküle – beispielsweise in künstlichen Lichtschaltkreisen – miteinander wechselwirken können, dürfen sie nur rund fünf Nanometer auseinander liegen. Dies ist mithilfe eines winzigen Steckbrettes möglich, für das das Biomolekül DNA als Baustoff verwendet wurde. Zunächst wird jedes Farbstoffmolekül an einen kurzen künstlichen DNA-Strang gebunden. Diese beladenen Abschnitte und rund 200 weitere kurze DNA-Stränge dienen anschließend als eine Art Heftklammern: Sie helfen einem einzelnen, sehr langen DNA-Faden dabei, sich selbstständig in eine zwei- oder auch dreidimensionale Struktur zu falten. Diese ist derart vordefiniert, dass die Farbstoffmoleküle optimal zueinander gelegen aus diesem „DNA-Teppich“ herausschauen. Dieser ist typischerweise weniger als 100 nm x 100 nm groß. Der gezielte Einsatz dieser molekularen Selbstorganisation und -faltung wird als „DNA-Origami“ bezeichnet, angelehnt an die japanische Papierfalt-Technik.

Im Experiment wird nun zunächst der blaue „Eingangs“-Farbstoff mit der passenden Lichtwellenlänge angeregt. Dieser überträgt daraufhin einen Teil der Anregungsenergie mittels FRET als Fluoreszenzstrahlung auf einen nahegelegenen anderen Farbstoff. Und hier sitzt im wahrsten Sinne des Wortes der Clou des vorgestellten Steckbrett-Designs, der grüne „Springer“-Farbstoff. Denn je nachdem, wo dieser positioniert wird, leitet er die Lichtenergie entweder in Richtung des roten oder in Richtung des infraroten „Ausgangs“-Farbstoffs. Welcher Weg eingeschlagen wurde, zeigt die Farbe des Ausgangssignals.

In diesem neuartigen Ansatz kombinierten wir erstmals die Nutzung von DNA als Trägermaterial mit Vier-Farben Einzelmolekül Spektroskopie, um das Schalten von Energietransfer-Pfaden zu visualisieren. Die DNA-Origami-Objekte bieten grundsätzlich zahlreiche Bindestellen zum Verankern von anderen Molekülen und können somit als molekulares Steckbrett oder „Nano-Platine“ angesehen werden. Die vorgestellte Vier-Farben Spektroskopie mit alternierender Laseranregung kann zudem umfassende Informationen über Objekte auf der Nanoskala liefern, sowohl über ihre Struktur als auch über ihre Wechselwirkungen. Das neue Verfahren eignet sich außerdem für hochsensitive Analytik. Dazu könnten Systeme so konstruiert werden, dass über Lichtsignale schon die Bindung einzelner Moleküle einer gesuchten Substanz nachweisbar sind.

Press Release NIM/LMU Munich

Publication:
"Single-Molecule Four-Color FRET Visualizes Energy-Transfer Paths on DNA Origami"
Ingo H. Stein, Christian Steinhauer and Philip Tinnefeld;
J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4193–4195

Ingo Stein
Ausbildung

seit 2010
IDK Student Representative

seit 2009
Doktorand in der Gruppe von Prof. Philip Tinnefeld, jetzt: TU Braunschweig

2008 - 2009
Diplomarbeit in der Gruppe von Prof. Philip Tinnefeld, LMU Munich
Thema der Diplomarbeit: “Steroid Binding to a DNA Three-Way-Junction Visualized by Multicolor Single-Molecule Spectroscopy”

2003 - 2009
Physikdiplom an der LMU München

Ausgewählte Publikation

I.H. Stein*, V. Schüller*, P. Böhm, P. Tinnefeld, and Tim Liedl:
"Single-molecule FRET ruler based on rigid DNA origami blocks"
ChemPhysChem 2011, 12, 689 – 695 *equal contribution
Article first published online: 9 FEB 2011

Dr. Christian Steinhauer
Ausbildung

seit 2011:
Molecular Machines & Industries

2007 - 2001
Doktorand in der Gruppe von
Prof. Philip Tinnefeld, jetzt: TU Braunschweig

2002 - 2007
Diplom in Molekularer Biotechnologie an der Universität Bielefeld und der University of Adelaide, Australien

Ausgewählte Publikation

R. Jungmann, C. Steinhauer, M. Scheible, A. Kuzyk, P. Tinnefeld, and F. C. Simmel:
"Single-molecule kinetics and super-resolution microscopy by fluorescence imaging of transient binding on dna origami."
Nano Lett, 10, 4756 (2010)