News: Ringschlussleuchte
Gelegentlich blinken fluoreszierende Farbstoffe etwas eigenwillig und launischer als erwünscht. Nicht so ein neuartig zusammengesetztes Molekül - dessen Leuchten lässt sich auf Knopfdruck präzise ein- und ausschalten.
© Bild (Ausschnitt)
Grau ist alle Theorie, in der Forscherpraxis darf es dagegen gerne auch etwas bunter zugehen. Um komplexe Abläufe der Natur erfassen und darstellen zu können, werden daher oft Farbstoffmarkierungen gezielt eingesetzt, um sie zu verfolgen – etwa den Weg eines bestimmten Moleküls durch das unübersichtliche Durcheinander in einer lebenden Zelle. Als Farbstoffmarker der Wahl dienen dazu häufig fluoreszierende Moleküle: Diese leuchten charakteristisch auf, wenn sie durch eine Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge dazu angeregt werden.
Marker wie das GFP, ein in Quallen entdecktes, grün-fluoreszierendes Protein, werden in biologischen Untersuchungen lebender Zellen seit längerem erfolgreich eingesetzt. Für technische Anwendungen eignen sich Fluoreszenzmoleküle aber, trotz ihrer einfachen Handhabung, bislang schlecht. Intensitätsschwankungen eines Fluoreszenzfarbstoffs sind nämlich kaum zu steuern – angeregte Moleküle können etwa unkontrolliert blinken statt stetig zu leuchten oder, bei intensiveren Anregungsstrahlungen, nach und nach "ausbleichen", also zunehmend schwächer fluoreszieren. Alles andere als geeignete Voraussetzungen, um als technisches Schalter-Bauteil Verwendung zu finden: Diese sollten idealerweise digital arbeiten, also An- oder Aus-Zustände immer gleichbleibend und reproduzierbar einnehmen können.
Ein Forscherteam um Masahiro Irie und Tsuyoshi Kawai von der Kyushu University bastelten seit Jahren an einer auch als technischem Schalter einsetzbaren Verbindung, welche diese Schwächen bisher bekannter Fluoreszenz-Moleküle vermissen lässt. Dazu kombinierten sie verschiedene Varianten zweier doppelbindungsreicher organischer Ringsysteme über ein Kupplungsstück zu fluoreszierenden Diarylethen-Derivaten – die bekannt sind für ihre geringe Neigung zum allmählichen Ausbleichen.
Eine der synthetisierten Varianten entpuppte sich nun als Volltreffer: Wird dieses Molekül mit schwachem, ultraviolettem Licht bestrahlt, so wandelt sich ein Ring im gesamten Gerüst in eine offenkettige Form um, wodurch gleichzeitig das Gesamtmolekül fluoreszierend wird. Bestrahlt man diese fluoreszierende Molekülform dann mit sichtbarem, langwelligem Licht, so schließt sich der Ring wieder, und die Verbindung kehrt in ihren nichtfluoreszierenden Ausgangszustand zurück.
Dieser photoreversible Prozess kann stets gleichbleibend wiederholt werden, wie die Wissenschaftler unter einem konfokalen Mikroskop beobachteten: Darunter hatten sie vier einzelne ihrer synthetisierten Moleküle auf einer Polymerfilm-Oberfläche fixiert und dann mit den umbauauslösenden Wellenlängen belichtet.
Das Molekül würde sich, so Irie und Kawai, demnach auch als digitaler Schalter für zukünftige technische Anwendungen eignen. Denkbar wäre etwa, den neu entwickelten, durch Licht ein- und ausknipsbaren Fluoreszenzschalter zur schnellen, reversiblen Datenspeicherung auf optischen Trägermedien einzusetzen.
Marker wie das GFP, ein in Quallen entdecktes, grün-fluoreszierendes Protein, werden in biologischen Untersuchungen lebender Zellen seit längerem erfolgreich eingesetzt. Für technische Anwendungen eignen sich Fluoreszenzmoleküle aber, trotz ihrer einfachen Handhabung, bislang schlecht. Intensitätsschwankungen eines Fluoreszenzfarbstoffs sind nämlich kaum zu steuern – angeregte Moleküle können etwa unkontrolliert blinken statt stetig zu leuchten oder, bei intensiveren Anregungsstrahlungen, nach und nach "ausbleichen", also zunehmend schwächer fluoreszieren. Alles andere als geeignete Voraussetzungen, um als technisches Schalter-Bauteil Verwendung zu finden: Diese sollten idealerweise digital arbeiten, also An- oder Aus-Zustände immer gleichbleibend und reproduzierbar einnehmen können.
Ein Forscherteam um Masahiro Irie und Tsuyoshi Kawai von der Kyushu University bastelten seit Jahren an einer auch als technischem Schalter einsetzbaren Verbindung, welche diese Schwächen bisher bekannter Fluoreszenz-Moleküle vermissen lässt. Dazu kombinierten sie verschiedene Varianten zweier doppelbindungsreicher organischer Ringsysteme über ein Kupplungsstück zu fluoreszierenden Diarylethen-Derivaten – die bekannt sind für ihre geringe Neigung zum allmählichen Ausbleichen.
Eine der synthetisierten Varianten entpuppte sich nun als Volltreffer: Wird dieses Molekül mit schwachem, ultraviolettem Licht bestrahlt, so wandelt sich ein Ring im gesamten Gerüst in eine offenkettige Form um, wodurch gleichzeitig das Gesamtmolekül fluoreszierend wird. Bestrahlt man diese fluoreszierende Molekülform dann mit sichtbarem, langwelligem Licht, so schließt sich der Ring wieder, und die Verbindung kehrt in ihren nichtfluoreszierenden Ausgangszustand zurück.
Dieser photoreversible Prozess kann stets gleichbleibend wiederholt werden, wie die Wissenschaftler unter einem konfokalen Mikroskop beobachteten: Darunter hatten sie vier einzelne ihrer synthetisierten Moleküle auf einer Polymerfilm-Oberfläche fixiert und dann mit den umbauauslösenden Wellenlängen belichtet.
Das Molekül würde sich, so Irie und Kawai, demnach auch als digitaler Schalter für zukünftige technische Anwendungen eignen. Denkbar wäre etwa, den neu entwickelten, durch Licht ein- und ausknipsbaren Fluoreszenzschalter zur schnellen, reversiblen Datenspeicherung auf optischen Trägermedien einzusetzen.
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