Towards an Artificial Synapse: Synthesis and Characterization of a Carbon Nanotube-based, Switchable Nanofluidic Transport System for Neurotransmitters

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Kruss
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 219190242

Viele biologisch hoch relevante Prozesse wie die Informationsverarbeitung in unserem Gehirn werden durch die Freisetzung von Botenstoffen kontrolliert. Bislang gibt es allerdings kaum Methoden um diese Prozesse auf einer ähnlichen Längen-, Zeit- und Konzentrationsskala in vitro zu imitieren. In dem vorgestellten Projekt soll ein schaltbares Transportsystem für Neurotransmitter auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhren entwickelt werden. Langfristig soll durch die zeitlich und örtlich aufgelöste Freisetzung von Neurotransmittern eine künstliche Synapse entwickelt werden. Damit könnte die Integration von Signalen einzelner Neuronen wie auch ganzer neuronaler Netzwerke direkt untersucht werden. Eine solche zeitlich und örtlich hoch aufgelöste Korrelation zwischen biochemischem Input und biologischem Output ist bislang nicht möglich. Kohlenstoff-Nanoröhren sind aufgrund ihrer Geometrie für den Aufbau nanoskaliger Transport-Systeme prädestiniert. Die Nanoröhren werden dazu vertikal in eine Membran integriert. Zur zeitlichen und räumlichen Kontrolle der Neurotransmitter-Freisetzung wird darüber hinaus ein optochemischer Schalter auf der Grenzfläche integriert werden. Dessen Aufgabe besteht darin, die Nanoröhre reversibel zu verschließen bzw. zu öffnen. Damit erlaubt das System, den Fluss von Neurotransmittern durch die Nanokanäle mit hoher Präzision ortsaufgelöst durch einen einfachen Stimulus wie Licht zu steuern. Auf dieser schaltbaren Oberfläche werden anschließend Muskelzellen kultiviert, um so eine neuromuskuläre Synapse zu bilden und die Muskel-Aktivität als Funktion der Neurotransmitter-Freisetzung zu quantifizieren. Mit diesem Projekt soll erstmals der Transport von Neurotransmittern in Kohlenstoff-Nanoröhren beobachtet und charakterisiert werden. Außerdem stellt die Entwicklung einer flexiblen Plattform zur gezielten und örtlich hochaufgelösten Freisetzung von Neurotransmittern einen entscheidenden Schritt zur Entwicklung einer künstlichen Synapse dar.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Michael Strano