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Barcodes für biologische Moleküle

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Während die Entschlüsselung des menschlichen Genoms in den letzten Jahren große Fortschritte verzeichnet hat, hat die Erforschung des Proteoms, der Gesamtheit aller menschlichen Proteine, weniger Material hervorgebracht, obschon Proteine seit Jahrzehnten erforscht werden. Denn anders als bei der DNA, die in erster Linie Informationen – Gene – zweidimensional speichert und daher sequentiell abgelesen werden kann, sind Proteine "Arbeitsmoleküle" deren korrekte Funktionsweise von dreidimensionalen, jeweils proteinspezifischen Strukturen abhängt.

Bei Proteinen genügt es also nicht, wie im Falle der DNA ledigich die Sequenz der Bausteine zu bestimmen, sondern, man braucht für das Verständnis der Abläufe auch ein originalgetreues Abbild der dreidimensionalen Faltung. Letztere ermittelt man bisher in langwierigen Schritten, bei denen aufwändig gezüchtete Proteinkristalle als Grundlage dienen. Wie das Fachblatt Nature Biotechnology in seiner Juli-Ausgabe berichtet, konnten nun amerikanische Forscher der Universität von Indiana molekulare Strukturen unter Zusatz von fluoreszierenden Nanokristallen aus Cadmium und Selen bestimmen. Biomoleküle wurden spezifisch beladen und nach der Bestrahlung mit einer Lichtquelle durch ihr "mikroskopisches Strichcodemuster" identifiziert. Die Forscher haben dazu Strukturen hergestellt, die etwas irreführend "Quantenpunkte" genannt werden. Sie bestehen aus 200 bis 10.000 entsprechenden Atomen und sind in speziell angefertigte Latexkugeln verpackt.

Quantenpunkte sind mikroskopische Inseln, meist aus Halbleitermaterial, die sich wegen ihrer Größe von einigen zehn Nanometern physikalisch wie "Riesenatome" verhalten. Mit solchen Inseln lassen sich 1-Elektronen-Schalter realisieren – man kann darin beispielsweise einzelne Elektronen einsperren –; sie lassen sich aber auch als maßgeschneiderte Laserbauelemente einsetzen. Die Leuchtintensität der Punkte wurde durch die Kombination von Cadmium- und Selen-Atomen erreicht, die eingepackt in einer Hülle aus Zinksulfid eine Lichtausbeute von 50 Prozent besitzen. Vergleichbare organische Farbmolekülen kommen nicht annähernd in diese Dimension.

Die speziellen Eigenschaften der Quantenpunkte waren schon vorher bekannt, den Forschern gelang es jedoch erstmals die Atome in kleine Latexhüllen zu verpacken und dadurch in Flüssigkeit stabil zu halten. Die Kugeln lagern sich beim Versuch in die Taschen der Proteine an und markieren die Moleküle sehr spezifisch. Fachleute sprechen von einer Strichcode-Etikettierung. Die Größe der Kugeln kann über die Ablenkung des Lichts ausgelesen werden. Kleine Pakete von Selen-Atomen absorbieren mehr Licht als große Kugeln. Weiteren Aufschluss kann die Farbe des emittierten Lichts angeben. Insgesamt konnten die Forscher um Shuming Nie zehn unterschiedliche Lichtintensitäten und sechs unterschiedliche Farben bestimmen.

Die Erforschung des Proteoms kann durch diese Technologie stark beschleunigt werden. Zunächst wurde durch die Beladung von DNA gezeigt, daß die Muster spezifisch sind und auch einfach ausgewertet werden können. Denkbar ist zusätzlich ein Einsatz in der medizinischen Diagnostik zur Bestimmung des HIV-Titers oder zur Selektion neuer Pharmazeutika. Ein Hindernis liegt zur Zeit noch in der Herstellung der "Quantenpunkte". Die amerikanischen Forscher haben zwar ein Patent auf die Technologie angemeldet, eine industrielle Produktion der Quantenpunkte können sie allerdings noch nicht gewährleisten. (art)