Carbon Nanotubes Leucht(kohlen)stoffröhren zeigen Viren und Bakterien an

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Mit Röhren aus Kohlenstoff wollen Forscher Viren und Bakterien nachweisen. Die Nanoröhren lasen sich mithilfe von DNA-Anken so modifizieren, dass sie spezifisch auf bestimmte Erregermoleküle reagieren und dies mit einem Leuchtsignal anzeigen.

Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Universität Duisburg-Essen, der ETH Zürich und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat einen neuen Weg gefunden, modulare optische Sensoren zu bauen, die Viren und Bakterien nachweisen. Die Wissenschaftler nutzten dafür leuchtende Kohlenstoff-Nanoröhren mit DNA-Ankern. An die DNA-Anker lassen sich Erkennungseinheiten wie Antikörper binden, die mit bestimmten bakteriellen oder viralen Molekülen interagieren. Eine solche Interaktion verändert das Leuchten der Nanoröhren und macht es beispielsweise heller oder dunkler.

Kohlenstoffröhren mit DNA-Ankern

Bei den verwendeten Sensoren handelt es sich um Röhren aus Kohlenstoff, die einen Durchmesser von unter einem Nanometer haben. Werden sie mit sichtbarem Licht bestrahlt, können sie selbst Licht im nahen Infrarot aussenden. In früheren Studien hatte das Team um Prof. Dr. Sebastian Kruss von der RUB bereits gezeigt, wie sich das Leuchten von Nanoröhren manipulieren lässt und damit wichtige Biomoleküle nachgewiesen werden können. Nun suchten die Forschenden nach einer Möglichkeit, die Kohlenstoff-Sensoren schnell und einfach auf verschiedene Zielmoleküle anpassen zu können.

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Schlüssel zum Erfolg waren DNA-Strukturen mit so genannten Guanin-Quanten-Defekten. Hierfür werden Bausteine der DNA (Basen) mit der Nanoröhre verknüpft, sodass in der Kristallstruktur der Nanoröhre eine Art Defekt entsteht. Dadurch wird einerseits das Leuchten der Nanoröhren auf der Quantenebene verändert. Andererseits fungiert der Defekt als Bindeglied zur Erkennungseinheit, die auf das jeweilige Zielmolekül angepasst ist und so beispielsweise ein bestimmtes virales oder bakterielles Protein erkennt. „Durch die DNA-Anker und die daran befestigte Erkennungseinheit kann man sich den Zusammenbau eines solchen Sensors wie ein System aus Bauklötzen vorstellen, nur dass die einzelnen Teile 100.000-mal kleiner sind als ein menschliches Haar“, vergleicht Kruss.

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Testnachweis von SARS-CoV-2

Dass das neue Sensorprinzip funktioniert, zeigte die Gruppe unter anderem anhand des SARS-CoV-2-Proteins. Als Erkennungseinheit nutzten die Wissenschaftler Aptamere. „Das sind besonders gefaltete DNA-Stränge, die durch ihre Struktur zum Beispiel an Proteine binden“, erklärt der RUB-Forscher Justus Metternich. „Im Prinzip lässt sich das Konzept aber auch auf Antikörper oder andere Erkennungseinheiten übertragen.“

Die leuchtenden Sensoren zeigten die Anwesenheit des SARS-CoV-2-Proteins zuverlässig an. Die Selektivität von Sensoren mit Guanin-Quanten-Defekten war höher als von Sensoren ohne solche Defekte. Zudem waren die Sensoren mit Guanin-Quanten-Defekten in Lösung stabiler. „Das ist vor allem vorteilhaft, wenn man – wie wir – nicht nur in einfachen wässrigen Lösungen misst, sondern auch in komplizierten Umgebungen mit Zellen, im Blut oder im Organismus selbst“, erklärt Kruss, der an der RUB die Gruppe Funktionale Grenzflächen und Biosysteme leitet.

Originalpublikation: Justus T. Metternich, Janus A.C. Wartmann, Linda Sistemich, Robert Nißler, Svenja Herbertz, Sebastian Kruss: Near-infrared fluorescent biosensors based on covalent DNA anchors, Journal of the American Chemical Society, 2023, 145, 27, 14776–14783; DOI: 10.1021/jacs.3c03336

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