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Eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Molekülwaage. Wenn ein Molekül auf dem brückenartigen Teil im Zentrum landet, vibriert es mit einer Frequenz, die seine Masse angibt. Bild über Caltech / Scott Kelberg und Michael Roukes
Wie viel wiegt ein Molekül? Ein Molekül, bei dem es sich um eine einzelne Gruppe gebundener Atome handelt - die beiden Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom, aus denen beispielsweise H2O besteht - ist fast unverständlich klein. Ein Mol Wasser, was ungefähr 0, 64 Unzen entspricht, enthält 602.214.078.000.000.000.000.000 Moleküle. Kurz gesagt, Moleküle sind wirklich sehr, sehr, sehr klein.
Bisher konnten Wissenschaftler die Masse großer Molekülgruppen nur berechnen, indem sie sie ionisierten (ihnen eine elektrische Ladung gaben) und dann beobachteten, wie stark sie mit einem elektromagnetischen Feld wechselwirkten, einem Verfahren, das als Massenspektrometrie bezeichnet wird. Sie hatten jedoch keine Möglichkeit, die Masse eines einzelnen Moleküls zu messen.
Gestern kündigten Wissenschaftler von Caltech die Erfindung eines Geräts an, das die Masse eines einzelnen Moleküls direkt misst. Wie in einem in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlichten Artikel beschrieben, ist der winzige Apparat um eine brückenähnliche Struktur herum aufgebaut, die mit einer bestimmten Frequenz vibriert, die von der Masse des darauf befindlichen Moleküls abhängt. Indem sie die Schwingungsfrequenz der Brücke genau verfolgen, können sie die genaue Masse des Moleküls bestimmen.
"Der entscheidende Fortschritt, den wir in dieser aktuellen Arbeit gemacht haben, ist, dass wir nun Moleküle nacheinander abwägen können, wenn sie eingehen", sagt Michael Roukes, der Hauptforscher des Labors, in dem das Papier hergestellt wurde. "Das hat noch nie jemand gemacht."
Für das bloße Auge ist das Gerät im Wesentlichen unsichtbar - der Maßstab am unteren Rand des obigen Mikroskopbildes ist zwei Mikrometer lang oder zwei Millionstel Meter. Die Vibrationsbrücke in ihrer Mitte ist technisch als nanoelektromechanischer Systemresonator bekannt und befindet sich seit über einem Jahrzehnt in der Entwicklung.
In früheren Arbeiten, die 2009 veröffentlicht wurden, haben die Forscher gezeigt, dass sie die Masse von Partikeln messen können, die auf den Apparat gesprüht werden, aber mit einer Einschränkung: Es war nicht empfindlich genug, um jeweils nur ein Molekül zu messen. Da die spezifische Position, an der ein Teilchen landete, die Vibrationsfrequenz beeinflusste und die Wissenschaftler nicht genau wissen konnten, wo sich diese befinden würde, mussten sie mehrere hundert identische Teilchen auftragen, um einen Durchschnitt zu finden, der die Masse enthüllte.
Der Fortschritt nutzt eine neue Einsicht, wie sich die Schwingungsfrequenz der Brücke ändert, wenn ein Molekül darauf gesprüht wird. Die Schwingungen treten in zwei Modi gleichzeitig auf: Der erste Modus schwankt von Seite zu Seite, während der zweite Modus in Form einer oszillierenden S-förmigen Welle auftritt, die sich auf der Brücke auf und ab bewegt. Die Forscher analysierten genau, wie sich diese Modi ändern, wenn das Molekül auf das Gerät trifft, und stellten fest, dass sie seine Position und damit seine genaue Masse bestimmen konnten.
In der Studie demonstrierten die Forscher die Wirksamkeit des Tools durch Messung der Masse eines Moleküls namens Immunglobulin M oder IgM, eines Antikörpers, der von Immunzellen im Blut produziert wird und in verschiedenen Formen vorliegen kann. Durch das Abwiegen jedes Moleküls konnten sie genau bestimmen, um welche Art von IgM es sich handelt, was auf mögliche zukünftige medizinische Anwendungen hindeutet. Eine Krebsart, die als Waldenström-Makroglobulinämie bekannt ist, spiegelt sich beispielsweise in einem bestimmten Verhältnis von IgM-Molekülen im Blut eines Patienten wider. Zukünftige Instrumente, die auf diesem Prinzip aufbauen, könnten daher das Blut überwachen, um auf Krebs hinweisende Antikörperungleichgewichte zu erkennen.
Die Wissenschaftler stellen sich diesen Gerätetyp auch als Hilfsmittel für biologische Forscher vor, die sich mit der molekularen Maschinerie in einer Zelle befassen. Da die Enzyme, die die Funktion einer Zelle steuern, in hohem Maße von molekularen Bindungen an ihrer Oberfläche abhängen, kann das genaue Abwägen von Proteinen zu verschiedenen Zeitpunkten und in verschiedenen Zelltypen zum besseren Verständnis der zellulären Prozesse beitragen.
Das Team sagt sogar voraus, dass ihre Erfindung alltägliche kommerzielle Anwendungen haben könnte. Umgebungsmonitore, die beispielsweise die Verschmutzung von Nanopartikeln in der Luft verfolgen, könnten durch Anordnungen dieser Vibrationsbrücken aktiviert werden.
Wichtig ist, dass das Bauelement nach Standardmethoden zur Herstellung von Halbleitern konstruiert wurde - die auch in herkömmlichen elektrischen Schaltkreisen verwendet werden -, sodass es theoretisch auf Geräte mit Hunderttausenden oder Zehntausenden von Einzelmolekülsensoren skaliert werden kann, die gleichzeitig arbeiten. „Mit der Integration der Geräte, die mithilfe von Techniken für die Integration in großem Maßstab hergestellt werden, sind wir auf dem besten Weg, solche Instrumente zu entwickeln“, sagt Roukes.
