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Nanotechnologie: Molekularer Zweifarbendruck

Das Wappen der Universität Cambridge und ein Porträt des Wissenschaftlers Isaac Newton als bunt fluoreszierende Bilder im Mikromaßstab: Spielerei, was britische Forscher da betreiben? Nein, eine Fingerübung ernsthafter Wissenschaft.
Wappen der Universität Cambridge
Für moderne analytische und diagnostische Verfahren en miniature ist es notwendig, mit hoher Präzision Mikrostrukturen aus verschiedenen Biomolekülen auf winzigen Trägern zu fixieren. David Klenerman und sein Team von der Universität Cambridge und vom Imperial College London haben dafür einen neuartigen "molekularer Zweifarbendruck" entwickelt. Mit Mini-Kunstwerken konnten sie beweisen, dass ihr Verfahren bestens zur Herstellung feinst aufgelöster Mikrostrukturen geeignet ist.

Isaac Newton en miniature | Der englische Physiker Isaac Newton diente als Nano-Motiv: Links ist die auf 75 mal 62 Pixel verkleinerte Vorlage zu sehen, rechts das von der Nanopipette erzeugte Werk (Maßstab: 15 Mikrometer).
Die neue Methode basiert auf dem gleichen Prinzip wie die Rastersondenmikroskopie: Eine extrem feine Spitze fährt eine Oberfläche in sehr geringer Entfernung ab. Herzstück des neuen "Zweifarbdrucks" ist eine gläserne Nanopipette, deren Inneres durch eine Membran in zwei Kammern geteilt wird, die mit zwei verschiedenen Lösungen befüllt werden können. In beiden Kammern befindet sich eine Elektrode, über die eine Spannung angelegt wird. Diese Spannung hat die Aufgabe, die Pipettenspitze in einem definierten Abstand zur Oberfläche des zu bedruckenden Trägers zu justieren. Wenn die Pipette sehr nahe an eine Oberfläche kommt, tritt ein Flüssigkeitstropfen aus der Spitze – zwischen den beiden Elektroden fließt nun ein Strom, der vom Abstand abhängt.

Für ihre Tests verwendeten die Forscher eine Tinte aus DNA-Molekülen. Diese trugen zusätzlich ein kleines Molekül, das wie bei einem Zwei-Komponenten-Kleber spezifisch an ein Protein bindet, mit dem der zu bedruckende Träger beschichtet wurde. Außerdem knüpften die Wissenschaftler einen Fluoreszenzfarbstoff an die DNA. Die zwei Kammern der Pipette füllten sie mit zwei verschiedenen DNA-Farbstoff-Tinten, einer rot und einer grünen fluoreszierenden.

Balletttänzerinnen von Edgar Degas | Die Balletttänzerinnen von Edgar Degas ließen sich ebenfalls per Nanopipette auf kleinsten Raum reproduzieren (links: Vorlage; rechts: Nanokopie; Maßstab: 15 Mikrometer).
Doch woher weiß die Pipette, welche Farbe gerade dran ist? Über die Spannung, die an den Elektroden der beiden Kammern anliegt. Eine Elektrode ist negativ, die andere positiv geladen. Die DNA-Moleküle werden von der positiven Elektrode angezogen und in der Kammer festgehalten, nur die Tinte der Kammer mit der negativen Elektrode kann austreten. Soll die Farbe gewechselt werden, wird die Spannung einfach umgepolt.

Punkt für Punkt tupften die Forscher nun die Farbstoffe auf den Träger. Abstufungen der Farbintensität sind möglich, indem die entsprechenden Stellen unterschiedlich lange oder mehrfach betupft werden. Der gelbe Farbton im Universitätswappen entsteht, wenn roter und grüner Farbstoff übereinander aufgetragen werden. Da beide Farbstoffe aus der selben Pipettenspitze treten, kann wesentlich präziser gearbeitet werden als bei Verfahren mit verschiedenen Pipetten.

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