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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.
:: Hier erfahren Sie mehr über die Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie
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