In den vergangenen Jahren kam es in den Nanowissenschaften zu einer Renaissance des um 1950 entwickelten Coulter-Zählverfahrens, das für den automatischen Nachweis und die Charakterisierung von Einzelpartikeln im Größenbereich größer 0.5 µm verwendet wird. Grundlage dieses Verfahrens bildet ein Messkopf bestehend aus zwei mit Elektrolyten angefüllten Flüssigkeitsbereichen, die durch eine Messöffnung definierter Geometrie miteinander verbunden sind. Beim Durchtritt eines Partikels durch die Messöffnung steigt der elektrische Widerstand. Bei konstanter Stromstärke werden dabei Spannungsimpulse beobachtet, die proportional zu den Volumina der durchtretenden Partikel sind. Basierend auf diesem Messprinzip wurden die klassischen Coulter-Messköpfe zunehmend durch nanoskalige Messöffnungen ersetzt, um damit die Detektion und Analyse einzelner Moleküle, Molekülkomplexe, Makromoleküle und Polymere zu ermöglichen.
Als Messöffnungen dienen entweder synthetisch hergestellte Poren, z.B. in dünnen Siliziumnitridschichten, oder natürliche Proteinkanäle in Lipidschichten. Synthetische Poren sind sehr robust und lassen sich durch Polymere auch funktionalisieren. Dem gegenüber haben Proteinporen den Vorteil, dass sie aufgrund ihres modularen Aufbaus aus Aminosäuren wesentlich mehr kombinatorische Möglichkeiten bieten. Darüber hinaus können asymmetrische und punktuelle Funktionalisierungen erzielt werden, ein Umstand, der in natürlich vorkommenden Proteinstrukturen bereits evolutionär optimiert ist. Im Rahmen des Kompetenznetzwerks Funktionale Nanostrukturen der Baden-Württemberg Stiftung und der Forschungsinitiative Clusters4Future nanodiag BW des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) arbeiten wir in einem gemeinsamen Projekt mit Prof. Jan Behrends (Freiburg) an der Entwicklung neuartiger Membranchips für diese Biosensorik.
Ausgewählte Publikationen:
- Tracking the activity and position of mitochondrial β-barrel proteins. Wang, S. & Nussberger, S. Methods Mol. Biol. 2778: 221-236, doi: 10.1007/978-1-0716-3734-0_14 (2024) (Journal cover)
- Wang, S. & Nussberger, S. Single-molecule imaging of lateral mobility and ion channel activity in lipid bilayers using total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. J. Vis. Exp. (JoVE) 192: 1-21, e64970, DOI 10.3791/64970 (2023)
- Wang, S., Findeisen, L., Leptihn, S., Wallace, M.I., Hörning, M. & Nussberger, S. Spatiotemporal stop-and-go dynamics of the mitochondrial TOM core complex correlates with three-state channel activity. Communications Biology 5: 471 1-11 (2022)
- Bieligmeyer, M., Artukovic, F., Nussberger, S, Hirth, T., Schiestel, T. & Müller, M. Reconstitution of OmpF into biomimetic block copolymer-phospholipid hybrid membranes. Beilstein J. Nanotech. 7: 881–892 (2016)
- Gessmann, D., Mager, F., Naveed, H., Arnold, T., Weirich, S., Linke, D., Liang, J., & Nussberger, S. Improving the resistance of a eukaryotic beta-barrel protein to thermal and chemical perturbations. J. Mol. Biol., 413:150-161 (2011)
- Romero-Ruiz, M., Mahendran, K.R., Eckert, R., Winterhalter, M., & Nussberger, S. Interactions of mitochondrial presequence peptides with the mitochondrial outer membrane preprotein translocase TOM. Biophys. J., 99: 774-81 (2010)
- Arnold, T., Poynor, M., Nussberger, S., Lupas, A.N.,& Linke, D. Gene duplication of the eight-stranded beta-barrel protein OmpX produces a functional pore: A scenario for the evolution of transmembrane beta-barrels. J. Mol. Biol. 336, 117-1184 (2007)