Entwicklung und Charakterisierung eines molekularen bio-mechanischen Sensors zur optischen Messung dynamischer Drücke in vitro und in vivo

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Frank Schleifenbaum
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235614222

Die Messung von Drücken an Oberflächen ist von großer Bedeutung in weiten Bereichen der Forschung und Entwicklung. Da mechanische Messverfahren nur punktuelle Druckbestimmungen ermöglichen, wurden drucksensitive Farben (pressure sensitive Paints, PSPs) entwickelt. PSPs basieren auf der optischen Messung des lokalen Sauerstoffpartialdrucks, der sich in Abhängigkeit des äußeren Luftdrucks ändert. Obwohl einfach zu verarbeiten, können PSPs keine dynamischen Drücke und Strömungen erfassen, sind auf kalibrierte Sauerstoffumgebungen angewiesen und erlauben keine Strömungsmessungen in fluiden Systemen. Wir schlagen ein Sensorsystem vor, das die mechanische Einwirkung von Oberflächenströmungen und -drücken mit Subnanometergenauigkeit erfasst und optisch misst. Hierbei wird die Verbiegung eines an die Oberfläche gebundenen molekularen Linkers, der aus doppelsträngiger DNA-besteht ausgenutzt und optisch durch Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer (FRET) zwischen zwei an den Enden der DNA gebundenen Farbstoffen ausgelesen. Mit Hilfe dieses Ansatzes lassen sich sowohl Staudrücke als auch dynamische Strömungen unabhängig vom Umgebungsmedium messen. Weiterhin ist die FRET-Auslesung äußerst robust und aufgrund eines ratiometrischen Ausleseverfahren unempfindlich gegenüber Photobleichen oder lokalen Konzentrationsgefällen. Durch eine sinnvolle Wahl der Fluoreszenzfarbstoffe lässt sich der Sensor mit kommerziellen Farbkameras auswerten. In einschlägigen Vorarbeiten konnten wir das Funktionsprinzip des Sensors demonstrieren und zeigen, dass unser System reversibel arbeitet und über weite Arbeitsbereiche einstellbar ist. Ziel des beantragten Projekts ist zum einen die Weiterentwicklung und Optimierung des Sensors zu höheren Empfindlichkeiten und niedriger Druckbereichen. Weiterhin soll die molekular-physikalische Grundlage der druckabhängigen Linkerverbiegung untersucht und charakterisiert werden. Ein weiterer Projektabschnitt befasst sich mit der Adaption des Sensors auf polymere Substrate um das System über dünne Folien auf Proben mit komplexer Oberflächenmorphologie aufbringen zu können. Parallel hierzu soll der Sensor als Oligopeptid-System aufgebaut werden. Somit ließe er sich über geeignete DNA-Sequenzen genetisch kodieren und damit in vivo exprimieren. Auf diese Weise soll ein lokaler hoch-empfindlicher Sensor zur nicht-invasiven Messungen intra-zellulärer Drücke und Strömungen realisiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen