In den letzten 20 Jahren schufen technologische Durchbrüche und intensive Bemühungen zur Minimierung des Detektionslimits mikroskopischer Techniken die Grundlage zur Erfüllung eines langjährigen Traums vieler Wissenschaftler: Materie auf atomarer oder molekularer Ebene detektieren, manipulieren und kontrollieren zu können. Erfolgreiche Ansätze zur Detektion und Untersuchung einzelner Atome oder Moleküle auf Oberflächen nutzten in der Rastertunnelmikroskopie (STM) oder der Rasterkraftmikroskopie (AFM) Nahfeldinteraktionen von tunnelnden Elektronen bzw. Kräften mit scharfen Spitzen. Andererseits ermöglicht die optische Detektion einzelner Moleküle die Beobachtung von Individuen aus der Distanz, ohne Wechselwirkungen mit einer Spitze. Darüber hinaus ermöglichten Fortschritte in der optischen Spektroskopie nicht nur die Detektion und Identifizierung frei diffundierender oder immobilisierter Moleküle, sondern auch die Realisierung spektroskopischer Messungen und die Beobachtung von dynamischen Prozessen.

Die Faszination der Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie resultiert aus der Tatsache, dass die Technik einen neuen und direkteren wissenschaftlichen Ansatz darstellt. Sie ermöglicht es uns Modelle, die üblicherweise auf Vorstellungen individueller molekularer Systeme beruhen, mit experimentellen Beobachtungen direkt zu vergleichen. Im Gegensatz zu Ensemblemessungen, mit denen man nur gemittelte Informationen über durchschnittliche Eigenschaften erhält, liefern Einzelmolekülexperimente Informationen über Individuen, Verteilungen und zeitliche Veränderungen von Eigenschaften, die anderenfalls verborgen bleiben. Die Frage, ob einzelne Individuen leicht unterschiedliche Eigenschaften besitzen (statische Unordnung), oder sich ihre Eigenschaften mit der Zeit verändern (dynamische Unordnung), kann durch die Beobachtung einer gemittelten Größe nicht richtig beantwortet werden.

Da bei der Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie nur ein Molekül betrachtet wird, kann auf jegliche Synchronisationsschritte, z. B. zur Einleitung einer Konformationsänderung, verzichtet werden. Die Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie stellt daher ein vielfältig einsetzbares Werkzeug zur Beobachtung der Konformationsdynamik von Biopolymeren, wie z. B. bei der Proteinfaltung oder der Kontaktbildung in Peptiden, auf Einzelmolekülniveau und auf einer Zeitskala, die von Nanosekunden bis hin zu Sekunden reicht, dar. Neben diesen grundlegenden Erkenntnissen kann die Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie erfolgreich zur Empfindlichkeitssteigerung beim Nachweis bakterieller oder viraler Infektionen und der Früherkennung von malignen Erkrankungen beitragen. Im Folgenden wird anhand einiger Beispiele gezeigt, wie die Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie erfolgreich zur Sequenzierung einer einzelnen DNA und zur Detektion antibiotikaresistenter Erreger eingesetzt werden kann.

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