Die Vermessung der Nanowelt: Lineale aus DNA Forscher der TU Braunschweig können Mikroskope im Nanometerbereich vergleichen

Seit einigen Jahren ist es möglich, biologische Strukturen bis in den molekularen Bereich hinein mit Licht sichtbar zu machen. Superauflösende Mikroskope helfen den Forschern dabei. So konnten bereits viele neue Erkenntnisse zu biologischen Prozessen gewonnen werden, die beispielsweise bei der Entwicklung neuer Medikamente helfen. Doch die Entwicklungen stießen bisher an Grenzen: Entstand ein unscharfes Bild, konnte schwer festgestellt werden, ob dies an der untersuchten Probe oder dem Mikroskop lag. Die unterschiedlichen Verfahren konnten zudem nur unzureichend verglichen werden. Dies Problem wurde jetzt an der Technischen Universität Braunschweig gelöst. (Nature Methods, Dezember 2012, doi:10.1038/nmeth.2254)

Wissenschaftler des Instituts für Physikalische und Theoretische Chemie der Technischen Universität Braunschweig haben spezielle Nanometerlineale entwickelt. Damit können Sie das Auflösungsvermögen und die Lichtempfindlichkeit von Mikroskopen im Nanometerbereich überprüfen. „Ähnlich wie bei den Markierungen auf einem gewöhnlichen Lineal dienen hier Punkte mit einer bestimmten Anzahl fluoreszierender Farbstoffmoleküle als Markierung“, beschreibt der Arbeitsgruppenleiter, Prof. Philip Tinnefeld, das Prinzip. Grundlage dieser Struktur ist ein langes DNA-Molekül, das mit Hilfe vieler kurzer DNA-Stücke zu der gewünschten Struktur gefaltet wird. Diese sogenannten DNA-Origami-Strukturen können millionenfach hergestellt und nach Bedarf umprogrammiert werden. So lassen sich verschiedene Abstände einstellen oder unterschiedliche Farbstoffe benutzen.

Durch die Nanometerlineale können die Wissenschaftler nun die Leistungsfähigkeit der Mikroskope überprüfen und verschiedene Messverfahren miteinander vergleichen. Die Lineale können für unterschiedliche Empfindlichkeiten und Auflösungsvermögen hergestellt werden und sind deswegen auf die gängigen Superauflösungstechniken anwendbar. Besonders wichtig sind die Nanometerlineale für den – erst seit kurzem zugänglichen – Bereich zwischen 6-200 Nanometer, da hier verschiedene Techniken konkurrieren.

Die Forschung an der TU Braunschweig wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und durch das Biophotonik IV Programm des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Das Ergebnis hat hohes wirtschaftliches Potenzial, denn große Hersteller wie Leica oder Zeiss kommerzialisieren mittlerweile „superauflösende Mikroskope“. Künftig sollen die Nanometerlineale über das Spin-Off Unternehmen STS Nanotechnology vermarktet werden.

Messtechnik in Braunschweig: Neben der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB), dem nationalen Metrologie-Institut mit wissenschaftlich-technischen Dienstleistungsaufgaben, arbeiten auch etliche Institute der Technischen Universität Braunschweig an neuen messtechnischen Verfahren. Sie sind vernetzt in der „Metrology Initiative Braunschweig”.

Veröffentlichung: “Fluorescence and super-resolution standards based on DNA origami”. Jürgen J. Schmied, Andreas Gietl, Phil Holzmeister, Carsten Forthmann, Christian Steinhauer, Thorben Dammeyer and Philip Tinnefeld. (Nature Methods, 7. Dezember 2012, doi:10.1038/nmeth.2254.)

Abbildung: Das Schema zeigt ein aus DNA aufgebautes Rechteck an dem im Abstand von 70 nm zwei Farbstoffreihen angebracht sind. Mit einem optimal eingestellten Super-auflösungsmikroskop können diese Markierungen auf dem Nanolineal aufgelöst werden, wie im Bild rechts gezeigt. Der Ansatz erlaubt die Konstruktion vielfältiger Strukturen für verschiedenste Arten hochauflösender Mikroskopie.

Kontakt
Prof. Dr. Philip Tinnefeld
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Technische Universität Braunschweig
Tel.: +49 531 391-5330
E-Mail: p.tinnefeld@tu-bs.de
www.tu-braunschweig.de/pci/forschung/tinnefeld