Chemie im Femtoliter-Bereich: Einzelne Moleküle parallel untersuchen

13.05.2011: Die Naturwissenschaften haben in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Dies gilt auch für die Felder der Biochemie und der Analytischen Chemie. Mit konventionellen Methoden ließ sich bislang lediglich das durchschnittliche Verhalten einer gesamten „Molekül-Population“ über „Masse-Experimente“ analysieren. Neuere Techniken haben jedoch die Untersuchung einzelner Protein- und Enzymmoleküle ermöglicht, was unser Wissen über den Ablauf, die Funktion und die Geschwindigkeit biochemischer Reaktionen maßgeblich erweitert hat. Die Untersuchung eines einzelnen Moleküls ist allerdings umständlich und mühsam, und zudem aus statistischer Perspektive nicht repräsentativ für eine gesamte Population.

An dieser Stelle setzt ein neues Forschungsprojekt an, das von Dr. Hans-Heiner Gorris vom Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik der Universität Regensburg koordiniert wird. Ziel des Regensburger Chemikers ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine Vielzahl von einzelnen und jeweils separaten Enzymmolekülen parallel beobachtet werden können. Der Forscher setzt dabei auf Arrays bzw. auf Anordnungen mit zehntausenden von mikroskopisch kleinen Kammern, in denen einzelne Enzymmoleküle eingeschlossen werden. Das Forschungsprojekt „Femtoliter-Arrays für die Analyse von Einzel-Molekül-Mechanismen von Enzymen“ wird dabei durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) über einen Zeitraum von drei Jahren mit mehr als 350.000 Euro gefördert.

Die neuen Arrays bestehen aus Kammern, die eine Volumengröße von nur einem Femtoliter (fL) – also 10−15 Liter oder 1 µm3 – aufweisen. Dies entspricht in etwa der Größe eines Coli-Bakteriums. Die fL-Arrays werden durch Lithographie in Quarzglas hergestellt, sind stabil, haben eine sehr hohe Anzahl von Kammern pro mm² und ermöglichen deshalb die gleichzeitige Analyse einer Vielzahl individueller Enzymmoleküle. Die Femtoliter-Kammern bieten zudem die einzigartige Möglichkeit, gekoppelte Enzymreaktionen auf Einzel-Molekül-Ebene zu untersuchen.

„Es geht darum zu verstehen, wie aus den individuellen Eigenschaften der Einzelmoleküle das Verhalten einer ganzen Molekül-Population entsteht“, erklärt Gorris. Auf der Grundlage des Regensburger Forschungsprojekts könnten Enzyme in der Zukunft für den Einsatz in der Nanotechnik und Biosensorik maßgeschneidert werden.