Anforderungen an die Bausteine molekularer Nanocodes
Damit Elisabeth Kreidts Konzept der molekularen Barcodes funktionieren kann, müssen bereits die einzelnen Bausteine des Nanocodes gut mit der Lumineszenzspektroskopie identifizierbar sein. Bestimmte Lumineszenzfarbstoffe bringen genau diese Eigenschaften mit: die sogenannten Koordinationsverbindungen von Lathanoiden. Die Konzentration der Farbstoffe lässt sich bei der Spektroskopie durch Bestrahlung genau bestimmen. Die Lathanoide gehören zur Gruppe der Seltenen Erden und finden Verwendung für verschiedenste High-Tech Anwendungen, zum Beispiel in Supermagneten oder als Farbstoffe in modernen Displays. Ihre Koordinationsverbindungen bestehen aus einem Ion dieser Metalle sowie einem organischen Liganden, der das Lanthanoid umgibt.
Die zweite Voraussetzung für molekulare Barcodes ist, dass die Verknüpfung der Bausteine als Polymere stabil sein muss, d.h. auch die Reihenfolge darf sich nicht ändern. Um das zu erreichen, hat Kreidt für ihre Arbeit die Festphasen-Peptidsynthese verwendet – eine etablierte Technik, um Bausteine aus Aminosäuren sicher und zuverlässig miteinander zu verknüpfen.
An dieser Stelle trat bei Kreidts Versuchen ein Problem auf: „Die Lathanoid-Koordinationsverbindungen lassen sich dank ihrer Lumineszenz sehr gut auslesen, gleichzeitig sind sie aber anfällig für Zersetzungsprozesse, etwa unter physiologischen Bedingungen und insbesondere auch bei der Festphasen-Peptidsynthese“, erläutert Kreidt. „Eine besondere Art von Koordinationsverbindungen der Lanthanoide sind aber stabil genug, um sich bei der Festphasen-Peptidsynthese nicht zu zersetzen: Die Lanthanoid-Cryptate. Diese besitzen Liganden, die in der Lage sind, das Lanthanoid wie ein Käfig zu umschließen und festzuhalten.“
Die weitere Anforderung für die Herstellung der Bausteine der molekularer Nanocodes ist die Verknüpfbarkeit der Lanthanoide, beziehungsweise ihrer Liganden, mit einer Aminosäure. Aber die bis dato verfügbaren Lathanoid-Cryptate besitzen genau diese Möglichkeit nicht, sie sind chemisch „glatt“ und ließen sich auch nicht nachträglich im Labor entsprechend modifizieren. Kreidt musste daher bereits bei der Herstellung der Liganden der Lathanoid-Cryptate, Cryptanden genannt, ansetzen, um diese Funktionalität – die Verknüpfbarkeit mit anderen Molekülen – zu erreichen. Weitere Versuche ergaben, dass die Aminosäure Lysin an den modifizierten Liganden der Cryptate gebunden werden kann und so die Darstellung der gewünschten Bausteine ermöglicht.
Zusammengefasst müssen die Bausteine für molekulare Barcodes folgende Bedingungen erfüllen:
- sie müssen eine stabile lumineszente Lathanoid-Koordinationsverbindungen enthalten und
- sie müssen die Eigenschaften einer Aminosäure besitzen.