Einzelmolekül-IR-Nanoskopie von festkörpergestützten Membranproteinen

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Heberle
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299150119

Das Ziel dieses methodischen Projekts ist die Durchführung von nanoskopischen Experimenten zur Aufklärung der molekularen Struktur und Dynamik einzelner Membranproteine. Wir werden eine Kombination von oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (Surface-Enhanced InfraRed Absorption Spectroscopy, SEIRAS) und Rasternahfeld-Spektroskopie (scattering-type Scanning Near-field Optical Microscopy, sSNOM) verwenden, die einen geeigneten Ausgangspunkt für Einzelmolekül-Experimente im mittleren Infrarot-Bereich (mid-IR) darstellt. Mikrostrukturierte Goldoberflächen, die maßgeschneiderte, starke mid-IR Absorptionsverstärkung erzeugen, werden als Festkörperunterlage für integrale Membranproteine dienen. Da die Ortsauflösung und Sensitivität der konventionellen IR-Mikrospektroskopie nicht ausreicht um einzelne Moleküle zu detektieren, wird das Messsignal durch die metallbeschichtete Spitze eines Kraftmikroskops (Atomic Force Microscope, AFM) verstärkt und lateral aufgelöst. Die Methode soll auf zwei relevante Problemstellungen in der Membranbiologie angewendet werden. Im Bestreben IR-Einzelmolekülexperimente durchzuführen, sollen anhand der Amid I-Schwingung Strukturänderungen von festkörpergestützten Membranproteinen zeitaufgelöst verfolgt werden. Das IR-sSNOM soll außerdem für den Einsatz in wässriger Umgebung erweitert werden. Es sollen Ziehexperimente durchgeführt werden mit dem Ziel, die Kraft zu quantifizieren, die zur Proteinentfaltung benötigt wird; gleichzeitig werden transiente IR-Absorptionsänderungen aufgenommen, die komplementäre strukturelle Informationen des Entfaltungsprozesses liefern. Funktionsrelevante Strukturänderungen sollen mittels zeitaufgelöster Spektroskopie an mikrobiellen Rhodopsinen nachgewiesen werden. Die Einzelmolekülexperimente werden ergänzt durch nano-FTIR-spektroskopische Studien an festkörpergestützten Membranen und selbstorganisierten organischen Polymeroberflächen. Mit Hilfe eines fs-mid-IR-Lasersystem als breitbandige IR-Lichtquelle werden Nahfeld-IR-Spektren registriert, währenddessen die AFM-Spitze die Oberfläche abtastet. Dadurch erhält man neben der topologischen auch chemische Information über die Zusammensetzung der Membran, beides bei einer lateralen Auflösung von < 30 nm. Die spektral aufgelösten Experimente werden durch lichtinduzierte Differenz-nanospektroskopie ergänzt, um funktionelle Strukturänderungen in oberflächengebundenen Rhodopsinen nachzuweisen. Auf diese Weise soll ein chemisches Mikroskop etabliert werden, mit dem ein Beitrag einerseits zur Aufklärung der Funktionalität und der lateralen Heterogenität von Biomembranen auf der Nanoskala geleistet wird. Andrerseits können damit Strukturänderungen individueller Proteine während ihrer (Ent-)Faltung auf der Ebene einzelner Schwingungen verfolgt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada
• Großgeräte: Quantum cascade laser system
• Gerätegruppe: 5790 Sonstige Laser und Zubehör (außer 570-578)
• Kooperationspartner: Professor Donald E. Brooks