Mit einer Mikrokugel und einem Nanodrähtchen lassen sich einzelne unmarkierte Biomoleküle durch Licht nachweisen
Einzelne Biomoleküle aufzuspüren und sie bei der Arbeit zu beobachten – einer der Träume von Biochemikern. Denn auf diese Weise könnten sie die Arbeitsweise der Nanomaschinen des Lebens, wie etwa der Ribosomen oder der DNA-Polymerasen, detailliert untersuchen und besser verstehen. Diesem Ziel sind Forscher des Max-Planck-Institutes für die Physik des Lichtes nun einen wesentlichen Schritt nähergekommen. Mit einer optischen Mikrostruktur und Nanopartikeln aus Gold haben sie die Wechselwirkung von Licht mit dem Erbgutmolekül DNA so weit verstärkt, dass sie die Interaktion zwischen einzelnen DNA-Molekülteilen verfolgen können. Sie gingen damit an die Grenze des physikalisch Möglichen. Ihr optischer Biosensor für einzelne, unmarkierte Moleküle könnte auch für Biochips relevant sein: fingernagelgroße Mini-Labore, die einen Tropfen Blut in mobilen Analysegeräten schnell auf mehrere Krankheiten gleichzeitig testen oder mit wenig Probenmaterial umfassende Umweltanalysen ermöglichen.
Zu wissen, wie einzelne Biomoleküle miteinander interagieren, ermöglicht erst das Verständnis grundlegender Lebensprozesse. In den Zellen fügen Nanomaschinen wie etwa Ribosomen und DNA-Polymerasen einzelne Moleküle zu komplexen biologischen Strukturen wie Proteinen beziehungsweise DNA-Molekülen zusammen, in denen Erbinformation gespeichert ist. Zwar lässt sich die Interaktion einzelner Moleküle mit Enzymen oder Ribosomen durchaus untersuchen. Doch dafür müssen die Moleküle oft zum Beispiel mit Leuchtstoffen markiert werden, um sie beobachten zu können. Doch diese Markierung ist nur bei bestimmten Molekülen möglich und kann die Funktion der biologischen Nanomaschinen einschränken. Biomoleküle lassen sich zwar auch ohne Markierung mit Licht nachweisen. Dabei können aber keine einzelnen DNA-Moleküle detektiert werden, weil die Wechselwirkung der Lichtwellen mit den Molekülen dafür zu schwach ist.
Physiker um Frank Vollmer (Foto li. unten) vom Labor für Nanophotonik und Biosensorik am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichtes ist es nun gelungen, die Wechselwirkung von Licht mit DNA-Molekülen so weit zu verstärken, dass sie mit ihrem photonischen Biosensor einzelne, unmarkierte Moleküle und deren Interaktionen untereinander beobachten können.