Beschreibung

• Die konformationelle Organisation und Dynamik von Proteinen bestimmen ihre biologische Funktion und ihre Fehlfunktion bei Krankheiten. Bei hochdynamischen oder weitgehend unstrukturierten Fällen scheitern die heutigen strukturbiologischen Verfahren weitgehend. Als komplementärer Ansatz verspricht die THz-Spektroskopie einen neuen Ansatz zur Untersuchung von strukturell flexiblen Proteinen, da sie sehr empfindlich auf kollektive Schwingungsmoden, Ladungsverteilung und Hydratation von Proteinen reagiert. Während das einzigartige Potenzial der THz-Spektroskopie zur markierungsfreien Abfrage von Proteinkonformationen und Konformationsdynamik weitgehend akzeptiert wird, ist die Anwendung auf biologisch und medizinisch relevante Zielproteine durch die sehr hohen Mengen und Konzentrationen, die für traditionelle THz-Messungen erforderlich sind, noch stark eingeschränkt. Unser Projekt zielt darauf ab, diese Einschränkung durch ein umfassendes THz-Sensordesign für die spektroskopische Analyse von Proteinen in geringen Mengen und Konzentrationen zu überwinden. Durch einen interdisziplinären Ansatz zwischen Membranbiologie (UOS), Computerphysik (UKS) und Si-Engineering (IHP) soll eine leistungsfähige, kostengünstige THz-Proteinsensorplattform auf Basis von Si-CMOS-kompatiblen, resonanten THz-Nahfeldoptiken aufgebaut werden. In den ersten 24 Monaten des Projekts haben wir in enger Zusammenarbeit zwischen UKS und IHP erfolgreich Ge/Si-Mikrostrukturen mit THz-Mikroresonatoren entwickelt und hergestellt, die hinsichtlich Materialeigenschaften und THz-Resonanz charakterisiert wurden. Das IHP hat zusammen mit UOS eine material- und geometrie-spezifische Oberflächenmodifikation von Ge/Si-Mikrostrukturen entwickelt, die eine ortsspezifische Proteinaufnahme und Probenkonzentration in Resonanz-Hotspots direkt aus der Zelle ermöglicht. Diese Bemühungen werden zum Proof-of-Concept führen, um die THz-Erfassung von Proteinen mit Hilfe von Ge-Mikroresonatoren zu demonstrieren. In der zweiten Projektphase werden wir uns auf die Optimierung der Materialeigenschaften und des Sensordesigns konzentrieren. Durch die Einbeziehung von metallischen Nanopartikeln und gefälschten Plasmastrukturen wird eine weitere Feldverbesserung und Empfindlichkeit erreicht. Um das Signal-Rausch-Verhältnis weiter zu erhöhen, werden wir funktionalisierte Hydrogele durch Photopolymerisation einsetzen, um die gesamte Sensorfläche mit Proteinproben und hybriden Oberflächenarchitekturen mit metallischen Nanopartikeln abzudecken. Erweiterte Oberflächenfunktionalisierung wird mit Sensordesigns kombiniert, die das Probenhandling über die Mikrofluidik erleichtern. Anhand einer Reihe von repräsentativen Modellproteinen, die strukturell gut definierte, flexible und intrinsisch ungeordnete Proteine abdecken, werden wir die Möglichkeiten und Grenzen unserer THz-Mikrogeräte untersuchen.

Projektlaufzeit

• 01.01.2020 - 31.12.2022

Verbund/Partnerorganisation

• Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik, Universität Kassel