Ein interdisziplinäres Forschungsteam aus Bochum, Duisburg und Zürich hat einen neuen Weg gefunden, modulare optische Sensoren zu bauen, die Viren und Bakterien nachweisen können. Die Forschenden nutzten dafür leuchtende Kohlenstoff-Nanoröhren mit DNA-Ankern. An die DNA-Anker lassen sich Erkennungseinheiten wie Antikörper binden, die mit bestimmten bakteriellen oder viralen Molekülen interagieren. Eine solche Interaktion verändert das Leuchten der Nanoröhren und macht es beispielsweise heller oder dunkler.

„Durch die DNA-Anker und die daran befestigte Erkennungseinheit kann man sich den Zusammenbau eines solchen Sensors wie ein System aus Bauklötzen vorstellen, nur dass die einzelnen Teile 100.000-mal kleiner sind als ein menschliches Haar“, vergleicht Prof. Dr. Sebastian Kruss. Der Leiter der Arbeitsgruppe Funktionale Grenzflächen und Biosysteme beschreibt die Ergebnisse zusammen mit Justus Metternich und weiteren Kolleginnen und Kollegen von der Ruhr-Universität Bochum sowie vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme und der ETH Zürich in der Zeitschrift Journal of the American Chemical Society, online veröffentlicht am 27. Juni 2023.

Kohlenstoff-Sensoren schnell und einfach anpassen 

Bei den verwendeten Sensoren handelt es sich um Röhren aus Kohlenstoff, die einen Durchmesser von unter einem Nanometer haben. Werden sie mit sichtbarem Licht bestrahlt, können sie selbst Licht im nahen Infrarot aussenden.

In früheren Studien hatte das Team um Sebastian Kruss bereits gezeigt, wie sich das Leuchten von Nanoröhren manipulieren lässt und damit wichtige Biomoleküle nachgewiesen werden können. Nun zeigten die Forschenden, wie sich die Kohlenstoff-Sensoren schnell und einfach auf verschiedene Zielmoleküle anpassen lassen.

Schlüssel zum Erfolg waren DNA-Strukturen mit sogenannten Guanin-Quanten-Defekten. Hierfür werden Bausteine der DNA (Basen) mit der Nanoröhre verknüpft, sodass in der Kristallstruktur der Nanoröhre eine Art Defekt entsteht. Dadurch wird einerseits das Leuchten der Nanoröhren auf der Quantenebene verändert. Andererseits fungiert der Defekt als Bindeglied zur Erkennungseinheit, die auf das jeweilige Zielmolekül angepasst ist und so beispielsweise ein bestimmtes virales oder bakterielles Protein erkennt.