Kleinstes pH-Messgerät der Welt!

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Autor: Fee
Der pH-Wert dient zur Messung von sauren oder alkalischen Lösungen und ist eng an lebendige Prozesse gekoppelt, da alle chemischen Zellprozesse immer in Abhängigkeit des vorherrschenden pH-Wertes ablaufen müssen. Der Begriff geht auf den dänischen Chemiker Søren Sørensen zurück, der den Begriff im Jahr 1909 für die Bestimmung der Konzentration von Wasserstoffatomen einführte. Daher auch die Abkürzung pH, die für Potentia oder Pondus Hydrogenii, also für das Gewicht oder die Kraft des Wasserstoffs steht. Üblicherweise wird dieser Wert mit Lakmus-Papier (eine pH-Wert abhängige Indikatorfarbreaktion; relativ ungenau) mit Potentiometrie (eine Elektrode in einer mit Pufferlösung gefüllte Glasmembrankugel) oder durch Ionensensitive Feldeffekt-Transistoren (sensitive Gate-Membran) gemessen. Die Messung dieses Wertes in zellulären Systemen in Echtzeit und örtlich definiert war bisher kompliziert und oft nur durch eine Zerstörung der Zellen möglich, was eine Weiterfürung des Versuchs unmöglich machte. Nun ist es Yamuna Krishnan vom Tata Institute of Fundamental Research in Bangalore, Indien gelungen, eine verblüffend einfache, aber hochsensible Nanomaschine zu konstruieren, die genau solche Messungen in Echtzeit und räumlich definiert in der Zelle ermöglichen.
Zu diesem Zweck wurden drei DNA-Abschnitte generiert, wobei ein längeres Stück (O3) als Basis dient, an welches die beiden anderen Abschnitte rechts (O2) und links (O1) andocken können, so dass jeweils ein Bereich von eingen Basenpaaren ungebunden, d.h. einzelsträngig verbleiben.

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Courtesy of Nature

Diese überstehenden, einzelsträngigen Bereiche besehen jeweils aus Cystein-Wiederholungen, die sich nicht gegenseitig binden können, da der Bindungspartner im DNA-Molekül Guanin ist. In Abhängigkeit vom pH-Wert der Umgebung könen sie jedoch in einem sauren Milieu Protonen binden und sich somit aneinanderlagern. Dies führt zu einer Strukturänderung des Moleküls, wobei es sich von einer ausgestreckten in eine triangelförmige Form verändert. Soweit so gut, doch nun muss man das ganze noch auslesen können. Auch dafür fanden die Forscher die nötige Lösung in Form von Fluorophoren, Molekülen die durch Licht einer definierten Wellenlänge angeregt werden und daraufhin Licht mit einer niedrigeren Energie abgeben. Von diesen Moleküle gibt es eine Menge und man kann inzwischen beeindruckende Dinge mir ihnen anstellen. So wurden an den beiden Fragmenten unterschiedliche Fluorophore befestigt, die in der ausgestreckten Form ein grünes Licht emittieren, nach der Zusammenfaltung der Nanomaschine aber miteinander interagieren und ein rotes Licht emittieren. Und der Anteil von grüner und roter Emission lässt sich auch noch sehr exakt in pH-Übergänge umrechnen.
Was kann man damit jetzt machen? Zum Beispiel lässt sich die Ansäuerung von Endosomen verfolgen. Diese Zellkompartimente werden durch Einstülpungen der Zellmembran gebildet, wobei Material aus der Umgebung der Zelle mitaufgenommen wird. Im Zytoplasma werden diese Organellen dann durch Einpumpen von Wasserstoffionen azidifiziert, um die enthaltenen Materialien zu lysieren. Und dieser Vorgang kann genauestens verfolgt werden.

Modi, S., M. G., S., Goswami, D., Gupta, G., Mayor, S., & Krishnan, Y. (2009). A DNA nanomachine that maps spatial and temporal pH changes inside living cells Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/nnano.2009.83

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Kategorie: Wissenschaftsnews

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