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12.02.10 ATP-selektiver Sensor basiert auf Kohlenstoffnanoröhrchen

Sensitiv, selektiv, räumlich und zeitlich aufgelöst

ATP-Detektion in lebenden Zellen mit Kohlenstoffnanoröhrchen und Luciferase

Abb. 1: Mittels Fluoreszenzlöschung liefert das im Titel genannte Konjugat räumlich-zeitliche Informationen über ATP in lebenden Zellen: OxyLrin, das in der enzymatischen Reaktion zwischen ATP und D-Luciferin (Lrin) erzeugt wird, adsorbiert an die Nanoröhren und löscht deren Fluoreszenz. Der Sensor ist hoch selektiv für ATP.
Quelle: Angewandte Chemie

Alle lebenden Zellen brauchen einen „Brennstoff“ um zu funktionieren: Adenosintriphosphat (ATP), gewissermaßen das Benzin der Zelle. ATP innerhalb von Zellen zu detektieren, kann Forschern helfen, Energie verbrauchende physiologische Prozesse zu beobachten, z. B. Signalkaskaden oder Transportvorgänge. Zudem steht eine Verarmung an ATP mit bestimmten Erkrankungen im Zusammenhang, wie Parkinson und Ischämie (Minderdurchlutung von Gewebe). Ein Team um Michael S. Strano vom Massachusetss Institute of Technology in Cambridge (USA) hat nun einen empfindlicheren, höher auflösenden und dabei robusteren Nachweis für ATP entwickelt. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, basiert die Methode auf Kohlenstoffnanoröhrchen.

Abb. 2: ATP-Nachweis in Zellen
Quelle: Angewandte Chemie - mit freundlicher Genehmigung

ATP wird üblicherweise mit dem so genannten Luciferase-Test nachgewiesen. Luciferasen sind Enzyme, die in Leuchtkäfern und anderen biolumineszenten Organismen zur Erzeugung von Licht genutzt werden. Sie setzen ein Substrat namens Luciferin mit Sauerstoff zu Oxyluciferin um, das anschließend weiterreagiert und dabei das Leuchten verursacht. Bestimmte Luciferasen nutzen für ihre Reaktion ATP. Diese gängige Luciferase-Methode ist aufwändig, zeitraubend und leidet unter einem schlechten Signal/Rausch-Verhältnis.

Das MIT-Team hat nun eine neue Variante der Luciferase-Methode entwickelt. Die Luciferase wird dabei an Kohlenstoffnanoröhrchen geknüpft. In dieser Form wird das Enzym leicht von Zellen aufgenommen. In Anwesenheit von Luciferin und ATP entsteht wie gehabt Oxyluciferin, das eine Fluoreszenz erzeugt. Was aber hier interessanter ist: Kohlenstoffnanoröhrchen zeigen normalerweise eine Fluoreszenz im nahen infraroten (nIR) Spektralbereich. Diese wird durch die Luciferase-Reaktion aber in Abhängigkeit von der zugeführten ATP-Konzentration ausgelöscht. Warum? „Das entstehenden Produkt Oxyluciferin lagert sich fest an die Röhrchen an“, erläutert Strano. „Dabei werden Elektronen des Nanoröhrchens auf das Oxyluciferin übertragen. In diesem Zustand kann das Kohlenstoffnanoröhrchen dann nicht mehr fluoreszieren.“ Die Abnahme der nIR-Fluoreszenz kann gut detektiert werden und dient als Maß für die ATP-Konzentration.

„Unser neuer Sensor ist sehr selektiv für ATP“, so Strano weiter. „Es war uns damit möglich, in einer Zellkultur die zeitliche und räumliche Veränderung von ATP-Konzentrationen zu beobachten.“.

Quelle:

A Luciferase/Single-Walled Carbon Nanotube Conjugate for Near-Infrared Fluorescent Detection of Cellular ATP
J.-H. Kim, et. al., Angew. Chem. 2009, DOI: 10.1002/ange.200906251

Bitte zitieren Sie die Seite wie folgt:

ATP-selektiver Sensor basiert auf Kohlenstoffnanoröhrchen
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/feb/luciferase.shtm)

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