Integration von Porenproteinen in elektronische Nanostrukturen für die Biosensorik

Ionenkanäle und Translokasen sind biologische Nanoporen, die den spezifischen Transport von Molekülen und elektrischer Information über die Barriere einer Lipid-Membran bewerkstelligen. Diese Poren werden durch Aminosäurereste ausgekleidet, die der Porenwand spezifische Eigenschaften verleihen. Die Porendurchmesser variieren von 1–50 nm und lassen Moleküle in der Größenordnung von anorganischen Ionen bis zu Biopolymeren – beispielsweise Oligonukleotide und Polypeptide – passieren. Die Poren können dabei sehr genau zwischen unterschiedlichen Substraten differenzieren. Gefiltert werden kann z.B. aufgrund der Größe, Stereoisomerie, Ladung, Hydrophobizität oder aufgrund einer Kombination dieser Faktoren. Neben diesen sehr spezifischen Filtereigenschaften haben Porenproteine aber auch noch weitere interessante Eigenschaften. So lassen sich viele Kanäle durch die Transmembran-Spannung beeinflussen und wirken so als molekulare Schalter. Andere binden mit hoher Affinität an Signalmoleküle und werden durch diese geöffnet oder geschlossen. Auf diese Weise können sie als elektrische Biosensoren fungieren.

Ziel des Forschungsprojekts in der neuen Förderperiode ist es, die bisher erfolgreich produzierten und charakterisierten Porenproteine direkt in nano-lithographisch präparierte Poren einzubauen. Ausgangspunkt hierfür sind speziell entworfene anorganische Mehrschichtmembranen, welche durch diverse Prozessschritte unkonventioneller Lithographie mit durchgehenden Festkörper-Poren kontrollierter Durchmesser versehen werden. Der Ansatz ermöglicht eine Vielzahl von Porenanordnungen von der Einzelpore bis hin zu Arrangements hoher Porendichte. Diese Möglichkeit soll genutzt werden, um einzelne Poren auch elektrisch zu adressieren. Dies eröffnet die Perspektive, Porenproteine unbekannter Eigenschaften, zum Beispiel aus nativen Membranen, mit höchster Präzision zu charakterisieren.