Kohlenstoffnanoröhren leuchten in Gegenwart von Dopamin nicht nur heller, sondern auch länger. Die Zeitspanne des Leuchtens dient als neuer Parameter zum Nachweis biologischer Botenstoffe.
Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Bochum und Duisburg hat einen neuen Weg gefunden, den wichtigen Neurotransmitter Dopamin im Gehirn nachzuweisen. Die Forscher verwendeten dafür Kohlenstoffnanoröhrchen. Das Team um Professor Sebastian Kruss hatte bereits in früheren Studien gezeigt, dass die Röhren in Gegenwart von Dopamin heller leuchten. Nun zeigte die interdisziplinäre Gruppe, dass sich auch die Dauer des Leuchtens ändert.
„Das ist das erste Mal, dass ein so wichtiger Botenstoff wie Dopamin auf diese Weise nachgewiesen wurde“, sagt Sebastian Kruss. „Wir sind zuversichtlich, dass sich damit eine neue Plattform eröffnen wird, die auch einen besseren Nachweis anderer menschlicher Botenstoffe wie Serotonin ermöglicht.“ Die Arbeit war eine Zusammenarbeit zwischen den beiden Forschungsgruppen von Kruss in physikalischer Chemie an der Ruhr-Universität Bochum, Deutschland, und dem Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS).
Die Ergebnisse beschreibt ein Team um Linda Sistemich und Sebastian Kruss von der Ruhr-Universität Bochum gemeinsam mit Kollegen des IMS und der Universität Duisburg-Essen im Fachblatt Internationale Ausgabe der Angewandten Chemieonline veröffentlicht am 9. März 2023.
Mit Dopamin leuchten die Nanoröhren heller und länger
Die verwendeten Sensoren sind Röhrchen aus Kohlenstoff, die 100.000-mal dünner sind als ein menschliches Haar. Bestrahlt man sie mit sichtbarem Licht, können sie sogar Licht im nahen Infrarotbereich aussenden, bei einer Wellenlänge von 1.000 Nanometern, die für den Menschen nicht sichtbar ist.
Frühere Studien unter der Leitung von Sebastian Kruss hatten gezeigt, dass bestimmte mit Biopolymeren modifizierte Kohlenstoffnanoröhrchen heller leuchten, wenn sie mit bestimmten Biomolekülen wie Dopamin in Kontakt kommen. In der neuen Studie beobachteten die Forscher, wie lange es dauert, bis die Nanoröhrchen dieses Licht im nahen Infrarot aussenden. Dazu beobachteten die Forscher das emittierte Licht als einzelne Lichtteilchen.
Mit einer Stoppuhr zeichneten sie die Zeit auf, die die Lichtteilchen brauchten, um von dem Moment an, in dem die Nanoröhre bestrahlt wurde, bis zu dem Moment, in dem die Lichtteilchen von der Nanoröhre freigesetzt wurden, zu reisen. „Um eine solche Zeitspanne zu messen, brauchen wir spezielle Stoppuhren, denn die Emission von Licht ist 100 Millionen Mal schneller als ein Wimpernschlag“, verdeutlicht Linda Sistemich.
Diese sogenannte Lichtlebensdauer ist für verschiedene Substanzen charakteristisch und stellt im Vergleich zur Helligkeit ein robusteres Signal dar. Während die Helligkeit davon abhängt, wie viele Zellschichten das Licht passieren muss, bevor es gemessen werden kann, hat dies keinen Einfluss auf die Lebensdauer des Lichts. Da jedes einzelne Lichtteilchen die Information über die Lebensdauer trägt, ist jedes gemessene Teilchen ein Informationszuwachs, egal wie viele Teilchen gemessen werden.
„Das ist besonders vorteilhaft, wenn man wie wir nicht nur in einfachen wässrigen Lösungen misst, sondern auch in komplizierten Umgebungen wie in der Zellkultur oder im Organismus selbst“, erklärt Sebastian Kruss, der am Ruhrgebiet die Arbeitsgruppe Funktionelle Grenzflächen und Biosysteme leitet Universität und ist Mitglied des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation (RESOLV) und der International Graduate School of Neuroscience. In dieser Arbeit wurde die Freisetzung von Dopamin aus einzelnen Zellen aufgezeichnet. Das Verfahren ist jedoch auch auf Netzwerke von Zellen oder Organismen anwendbar.
Das nachgewiesene Dopamin ist ein wichtiger Botenstoff im menschlichen Gehirn, über den die Zellen miteinander kommunizieren. Dopamin steuert nicht nur das Belohnungszentrum, sondern ist auch die treibende Kraft für Bewegung, Koordination, Konzentration und geistige Leistungsfähigkeit. Wird zu wenig Dopamin ausgeschüttet, kann es zu Bewegungsstörungen und nachlassendem Gedächtnis kommen – Symptome, die zum Beispiel bei der Parkinson-Krankheit auftreten.
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Linda Sistemich et al., Near‐Infrared Lifetime Imaging of Biomolecules with Carbon Nanotubes, Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie (2023). DOI: 10.1002/ange.202300682