Aleksandra Radenovic, Leiterin des Labors für Biologie im Nanomaßstab an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik, arbeitet seit Jahren an der Verbesserung der Nanoporentechnologie, bei der ein Molekül wie die DNA durch eine winzige Pore in einer Membran geleitet wird, um einen Ionenstrom zu messen. Wissenschaftler können die Sequenz der Nukleotide in der DNA - die die genetische Information kodieren - bestimmen, indem sie analysieren, wie jedes einzelne Nukleotid diesen Strom beim Durchgang stört.
Derzeit hängen der Durchgang der Moleküle durch eine Nanopore und der Zeitpunkt ihrer Analyse von zufälligen physikalischen Kräften ab, und die schnelle Bewegung der Moleküle erschwert das Erreichen einer hohen analytischen Genauigkeit. Aleksandra Radenovic hat sich bereits mit diesen Fragen auseinandergesetzt und dabei optische Pinzetten und viskose Flüssigkeiten verwendet. Eine Zusammenarbeit mit Georg Fantner und seinem Team vom Labor für Bio- und Nanoinstrumentierung der EPFL brachte ihr den gewünschten Durchbruch, mit Ergebnissen, die weit über die DNA hinausgehen könnten.
"Wir haben die Empfindlichkeit von Nanoporen mit der Präzision der Ionenleitfähigkeitsrastermikroskopie (SICM) kombiniert, was uns ermöglicht, bestimmte Moleküle und Orte genau zu untersuchen und ihre Bewegungsgeschwindigkeit zu beherrschen. Diese Beherrschung könnte dazu beitragen, eine wichtige Lücke in diesem Bereich zu schließen", sagt Aleksandra Radenovic.
Die Forscherinnen und Forscher erreichten diese Meisterschaft mithilfe eines hochmodernen Raster-Ionenleitfähigkeitsmikroskops, das kürzlich am Labor für Bio- und Nanoinstrumentierung entwickelt wurde. Dieser neue Ansatz wurde kürzlich in Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Verbesserung der Nachweisgenauigkeit um zwei Größenordnungen.
Die unvorhergesehene Zusammenarbeit zwischen den Labors wurde von dem Doktoranden Samuel Leitão initiiert. Seine Forschung befasst sich mit SICM, bei der die Veränderungen des in einer Sondenspitze fließenden Ionenstroms zur Erzeugung hochauflösender 3D-Bilddaten genutzt werden. Für seine Doktorarbeit entwickelte Samuel Leitão die SICM-Technologie und wandte sie auf die Abbildung von Zellstrukturen im Nanometerbereich an, wobei er eine Glasnanopore als Sonde verwendete. In seiner jüngsten Arbeit nutzte das Team die Präzision einer SICM-Sonde, um Moleküle durch eine Nanopore zu bewegen, anstatt sie zufällig diffundieren zu lassen.Diese als Scanning Ion Conductance Spectroscopy (SICS) bezeichnete Innovation verlangsamt die Bewegung der Moleküle durch die Nanopore, wodurch Tausende von aufeinanderfolgenden Messungen desselben Moleküls oder sogar von verschiedenen Stellen des Moleküls möglich werden. Durch die Möglichkeit, die Umlaufgeschwindigkeit zu steuern und mehrere Vermessungen desselben Moleküls zu mitteln, konnte das Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu herkömmlichen Methoden um zwei Größenordnungen gesteigert werden.
"Besonders interessant ist, dass diese erhöhte Nachweisfähigkeit mit SICS auf andere biologische und Festkörper-Nanoporen-Methoden übertragen werden kann, was die Diagnose- und Sequenzierungsanwendungen erheblich verbessern könnte", erklärt Samuel Leitão.
Georg Fantner fasst die Logik des Ansatzes mithilfe einer Auto-Analogie zusammen: "Stellen Sie sich vor, Sie beobachten Autos, die hin und her fahren, während Sie vor einem Fenster stehen. Es ist viel einfacher, das Nummernschild zu lesen, wenn die Autos langsamer werden und immer wieder vorbeifahren", sagt er. "Ebenso können wir entscheiden, ob wir jedes Mal 1000 verschiedene Moleküle oder 1000 Mal das gleiche Molekül messen wollen, was einen echten Paradigmenwechsel in diesem Bereich darstellt."
Diese Genauigkeit und Vielseitigkeit bedeutet, dass der Ansatz auch auf andere Moleküle als DNA angewendet werden könnte, z. B. auf Proteinbausteine, die als Peptide bezeichnet werden. Dies könnte dazu beitragen, die Proteomik sowie die biomedizinische und klinische Forschung voranzutreiben.
"Eine Lösung für die Sequenzierung von Peptiden zu finden, war aufgrund der Komplexität ihrer "Nummernschilder", die im Gegensatz zu den vier Nukleotiden der DNA aus 20 Zeichen (Aminosäuren) bestehen, eine große Herausforderung", sagt Aleksandra Radenovic. "Für mich besteht die größte Hoffnung darin, dass diese neue Meisterschaft den Weg für die Sequenzierung von Peptiden ebnen kann".
