Moleküle ordnen sich in Abständen von wenigen Nanometern an. Foto: obx-news/Universität Regensburg/Felix J. Hofmann

„DNA-Origami“: Die Welt mit neuen Augen sehen

Regensburger Physiker entwickeln eine neue Methode, um Moleküle zu zählen

Regensburg (obx) – Wer hat nicht schon in einer lauen Sommernacht das Himmelszelt betrachtet und über die Weite des Universums nachgedacht? Das geschulte Auge kann die Andromeda-Galaxie als fernen Fleck ausmachen. Dank neuester Teleskope wissen wir: Sie besteht aus über einer Billion Sternen. Auch im Nanokosmos erscheinen Anhäufungen einzelner Lichtquellen, wie beispielsweise Moleküle, als scheinbare Punkte. Diese Lichtquellen so aufzulösen, dass man sie zählen kann: Das ist das Ziel der ultraschnellen Nanoskopie, die derzeit an der Universität Regensburg eine neue, rund 50 Millionen Euro teure Heimat bekommt – mit dem Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy. Erste spektakuläre Erkenntnisse gibt es bereits jetzt.

Ein Team aus Wissenschaftlern um Dr. Jan Vogelsang von der Universität Regensburg, Dr. Gordon Hedley (Glasgow) und Professor Dr. Philip Tinnefeld (LMU München) veröffentlicht aktuell in der Zeitschrift Nature Communications, wie sich winzige Moleküle zählen lassen. Die Forscher platzierten einzelne Moleküle eines Farbstoffs in wohldefinierten Abständen zueinander. Möglich macht das eine neuartige Methode, die die Wissenschaftler in Anlehnung an die japanische Faltkunst „DNA-Origami“ nennen. Dabei wird auf DNA zurückgegriffen, das Speichermedium der Biologie. Es wird derart programmiert, dass die Moleküle sich durch Faltung der DNA wie gewünscht in Abständen von wenigen Nanometern anordnen.

Unter dem Lichtmikroskop ist das Leuchten der einzelnen Moleküle auf dem Origami zunächst nicht auseinanderzuhalten. Um die Moleküle tatsächlich aufzulösen, wird ein weiterer Trick verwendet. Das Licht der Origami-Struktur wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel geleitet und auf beiden Seiten des Spiegels von jeweils einer Photozelle aufgezeichnet.

Dabei ist zu beachten, dass ein einziges Molekül nur ein einziges Lichtteilchen pro Zeitpunkt ausstrahlen kann. Dieses Teilchen wird nur von dem einen oder dem anderen Detektor aufgezeichnet, nicht aber von beiden. Durch Betrachtung der zeitlichen Abfolge, in der das Licht auf die einzelnen Detektoren trifft, wird eine Aussage über die exakte Anzahl der leuchtenden Moleküle in der Origami-Struktur möglich. Somit lassen sich einzelne Moleküle zählen. Die Anzahl der Moleküle wird durch die Programmierung der DNA vorgegeben. Eine Origami-Struktur mit einem Farbstoff emittiert genau ein Lichtquant, eine mit fünf eben fünf. Nun können die einzelnen Moleküle auch untereinander in Wechselwirkung treten. Durch Bestrahlung mit Licht nimmt der Farbstoff Energie auf. Diese kann er entweder wieder in Form von Licht abstrahlen, oder aber an einen benachbarten Farbstoff weitergeben. Befindet sich dieser hingegen bereits schon in einem angeregten Zustand, so treffen zwei Anregungen aufeinander. Wie etwa bei zwei Autos, die gleichzeitig auf einen Stellplatz zu fahren versuchen, kommt es zur Zerstörung der Anregung. Eine solche „Annihilation“ ist in der molekularen Optoelektronik wie in OLEDs oder Solarzellen von großer Bedeutung, ebenso auch in der höchstauflösenden Mikroskopie. 

Die Forschungsgruppe um Dr. Vogelsang konnte nun zeigen, dass sich die nanoskopische Wechselwirkung der Farbstoffmoleküle untereinander durch eine zeitliche Auflösung der Ankunft der Lichtteilchen an den beiden Detektoren direkt verfolgen lässt. Somit ergibt sich eine neuartige Methode der ultraschnellen Nanoskopie molekularer Komplexe, die, so die Forscher, auch in den Lebenswissenschaften Anwendung finden wird.