Fluoreszenz- und streuungsbasierte Einzelmolekülmikroskopie an DNA-Origami-Nanostrukturen

Seit der Einführung der DNA-Origami-Technik im Jahr 2006 durch P. Rothemund können dreidimensionale Nanostrukturen durch eine einfache Bottom-up-Synthese hergestellt werden. Diese ermöglichen eine exakte Positionierung von Bio- und Farbstoffmolekülen im einstelligen Nanometerbereich. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von T. Liedl (LMU München) wurde eine molekulare Kraftklammer entwickelt, bei der über Einzelmolekül-Förster-Resonanz-Energie-Transfer (smFRET) die zwischen Biomolekülen wirkenden Kräfte ausgelesen werden. Die Untersuchung der Holliday Junction und des TATA-Box-bindenden Proteins auf ihr Verhalten unter kontrollierter Krafteinwirkung hin zeigte, dass die molekulare Kraftklammer aufgrund ihrer Robustheit ein geeignetes System ist, Kräfte im niedrigen Pikonewton Bereich zu messen und jegliche Systeme zu untersuchen, die mit DNA wechselwirken oder selbst durch DNA modifizierbar sind. Dass FRET nicht nur ein Werkzeug, sondern auch ein in der Natur auftretender Effekt ist, zeigt sich in Lichtsammelkomplexen (LSK). Dort sammeln mehrere Donormoleküle Sonnenlicht ein und übertragen die Energie via FRET auf einen Akzeptor. Um die Effizienz eines solchen Systems zu bestimmen, wurden in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von U. Keyser (University of Cambridge) synthetische LSKs basierend auf der DNA-Origami-Technik entwickelt und mittels smFRET-Messungen auf ihren Antenneneffekt hin untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich DNA-Nanostrukturen aufgrund ihrer Homogenität und Robustheit als Gerüst für die Entwicklung von LSKs eignen. Die notwendigen hohen Laserleistungen (bis zu 1 kW/cm²) bei der Einzelmolekülmikroskopie schränken die möglichen Anwendungen jedoch stark ein. Daher wurden neuartige Nanoantennen auf DNA-Basis entwickelt, die durch die räumliche Nähe von metallischen Nanopartikeln zu Farbstoffmolekülen eine Verstärkung der Anregungs- und Emissionsrate erreichen und so Messungen bei deutlich niedrigeren Laserleistungen ermöglichen. Um diese für die molekulare Diagnostik weiterentwickeln zu können, müssen die auftretenden Effekte verstanden werden. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Entwicklung einer Methode um die optischen Eigenschaften des metallischen Nanopartikels mit denen des Farbstoffmoleküls auf Einzelmolekülebene zu korrelieren und so das Verständnis über plasmonische Effekte in Nanoantennen zu erweitern.