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Forschungsarbeit

Graphen, DNA, FOKUS und Forschung in den USA 

Von Manuel Schottdorf (15.05.2013)

Der stark forschungsorientierte und gestraffte Elitestudiengang FOKUS Physik richtet sich an Studierende der Physik und der Nanostrukturtechnik. Manuel Schottdorf berichtet von seinem Studium:

„Seit dem Wintersemester 2007/2008 studierte ich Physik als Student der Julius-Maximilians-Universität Würzburg. Nach meinem Grundstudium arbeitete ich für einige Wochen, unterstützt durch die Fakultät für Physik, am Forschungszentrum Jülich an bioelektrischen Systemen, genauer gesagt, an der Kopplung zwischen elektrisch aktiven Zellen und elektronischen Komponenten auf einem Chip. Dieses Projekt entstand im Rahmen meiner Bachelorarbeit und förderte mein aufkeimendes Interesse im Wechselspiel zwischen Physik und Biologie. Nach dem Abschluss meines Bachelorstudiums im Sommer 2010 war ich bis Oktober 2011 von meinem FOKUS Physik Studium beurlaubt, um in Rutgers, der State University of New Jersey als ordentlicher Graduate-Student an einem eigenständigen Abschluss zu arbeiten. Die Möglichkeit, an international renommierten Hochschulen in den Vereinigten Staaten zu studieren, steht den Studierenden der Physik in Würzburg durch eine Reihe sehr fruchtbarer Kooperationen und durch das sogenannte Amerikaprogramm offen. Neben Kursveranstaltungen arbeitete ich dort an einem experimentellen Projekt, mit dem ich, als Thesis formuliert, im Oktober 2011 als Master of Science graduiert wurde.

DNA (deutsch: DNS), Desoxyribonukleinsäure, ist ein Makromolekül, dessen Sequenz von Monomeren die genetische Information kodiert. Sie ist universeller und essentieller Bestandteil allen Lebens auf der Erde. Die Kenntnis der genetischen Information, die man durch eine so genannte "Sequenzierung" erhält, ist wesentlich für das Verständnis von Struktur und Funktion von Proteinen, dem Feststellen von Erbkrankheiten und -Merkmalen im Allgemeinen und vieles mehr. Heutige Sequenzieransätze nutzen zum überwiegenden Anteil die Methode, für die Frederick Sanger (mit Paul Berg und Walter Gilbert) im Jahr 1980 den Nobelpreis erhielt: Ein gegebenes DNA Molekül wird durch eine chemische Reaktion vervielfältigt (die sog. Polymerasekettenreaktion). In den Vervielfältigungsprozess werden bewusst Fehler eingebaut, die die Replikation eines DNA Moleküls unterbrechen. Auf diese Weise entsteht eine Mischung aus unterschiedlich langen DNA Fragmenten. Aus der Untersuchung dieses Gemischs kann die komplette DNA Sequenz bestimmt werden. Obwohl diese Methode sehr weit verbreitet ist, sind Nachteile damit verbunden, beispielsweise die komplexen Apparate, die teuren Chemikalien und die Begrenzung auf kurze DNA Fragmente, die sequenziert werden können. Es wäre wünschenswert, DNA Moleküle von beliebiger Länge sequenzieren zu können - ohne den Einsatz teurer Chemikalien und vorzugsweise mit einem einfachen Lab-On-A-Chip System: Die gesamte Technologie komplett integriert in ein einziges handliches Element, das preiswert in großem Maßstab hergestellt werden kann. Mit dieser Überlegung sind wir bereits in den Bereich neuartiger DNA Sequenzierungsmethoden vorgestoßen. Ich beschäftigte mich mit einer ganz speziellen Idee: 

[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 1: Der Versuchsaufbau, mit dem Manuel Schottdorf im Rahmen seiner Master Thesis ein neuartiges Verfahren zur Untersuchung von DNA-Molekülen erprobte. Die Insets zeigen optische- und elektronenmikroskopische stark vergrößerte Ansichten des Chips mit dem Nanokanal, durch den ein DNA-Molekül zur Untersuchung gezogen werden kann.

Im Jahr 1996 schlug John Kasianowicz einen vollkommen neuen Weg vor, die Struktur eines DNA-Moleküls aufzuklären [1]. Eine Nanopore, eine Öffnung in einer Membran gerade so groß, dass ein einzelnes DNA Molekül hinein passt, kann verwendet werden, um ein DNA-Molekül lokal zu untersuchen. Durch die Steuerung elektrischer Felder kann erreicht werden, dass ein DNA-Molekül von einer Seite der Nanopore auf die andere Seite migriert. Messbar ist der elektrische Widerstand verbunden mit einem ionischen Strom durch die Nanopore und damit, wie gut das DNA Molekül die Pore verschließen kann. Nach diesem frühen Vorschlag einer neuen Sequenziermethode und der anschließenden experimentellen Verwirklichung stellte sich heraus, dass die Translokationsgeschwindigkeit (die Geschwindigkeit, mit der das Molekül durch die Pore wandert) der DNA zu groß und der Stromunterschied zu klein ist als, dass man DNA auf Monomerebene sequenzieren kann. Wie könnte dieses Problem gelöst werden? Es gab dazu zahlreiche Ansätze, beispielsweise die Veränderung der Viskosität des die DNA umgebenden Mediums oder eine signifikante Verlängerung der Nanopore, sie also quasi in einen Nanokanal zu verwandeln. Diese Beispiele verlangsamen zwar die Migration des DNA Moleküls, lassen das Ziel einer Sequenzierung allerdings in weite Ferne rücken. Durch immer längere Nanoporen wird es schließlich unmöglich, ein DNA-Molekül auf molekularer Ebene zu untersuchen, denn es befinden sich gleichzeitig zahlreiche Monomere in dieser Nanopore. Eine zur selben Zeit aufkommende Idee sollte einen möglichen Ausweg aufzeigen. Würde man gleichzeitig zur longitudinalen Migration des DNA-Moleküls durch die Nanopore transversale Widerstandsmessungen an der Nanopore vornehmen [2], könnte man ein Molekül völlig unabhängig von der Länge der Nanopore lokal untersuchen. Denn obwohl man bezüglich der Pore an Auflösung durch Verlängerung verliert, würde dies lokale elektrische Kontakte nicht betreffen. Diese Idee wurde bereits theoretisch untersucht (z.B. [3]). Mit der experimentellen Verwirklichung beschäftigte schließlich ich mich. Ich konstruierte einen Nanokanal auf einem Siliziumchip, durch den ein DNA-Molekül gezogen werden kann. Darin eingebracht sind Elektroden aus Graphen, die durch die Verwendung des nur Bruchteile von Nanometer dicken Materials eine hinreichend hohe Ortsauflösung haben könnten, um das Ziel der DNA-Sequenzierung zu erreichen. Ich verwirklichte dieses Gerät und führte einige vorläufige Tests mit einzelnen DNA Basen durch. In der nahen Zukunft wird das hier beschriebene Projekt nicht nur in meiner online verfügbaren Masters Thesis [4] zu finden sein, sondern auch in einem geeigneten Fachjournal. 

Um mein Projekt nach dessen Fertigstellung zu präsentieren, hatte ich die Gelegenheit im Juni 2012 die Gordon Research Conference zu korrelierten Elektronen Phänomenen zu besuchen. Neben meiner Arbeitsgruppe in Rutgers wurde ich dabei durch das FOKUS-Programm unterstützt. Die Gordon Research Conferences werden seit 1931 angeboten und behandeln aktuelle Themen aus Forschung und Entwicklung in den Naturwissenschaften. Sie stellen insofern etwas Besonderes dar, als dass der Teilnehmerkreis sehr klein ist (üblicherweise etwa 100 Teilnehmer) und die Konferenz damit sehr übersichtlich ist. Bewusst wird darauf geachtet, nur einen Vortrag zu jeder Zeit anzubieten und eine familiäre Atmosphäre zu erzeugen. Durch die informelle Umgebung und die off-record policy wird der wissenschaftliche und auch persönliche Austausch wesentlich gefördert. Die Gordon Konferenz, die ich besuchen konnte, war sicherlich ein Highlight meiner Zeit in den Vereinigten Staaten.

Nachdem ich im Oktober 2011 graduierte, bin ich nach Deutschland zurückgekehrt und arbeitete am Lehrstuhl für theoretische Physik 3 und dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen an meinem Abschluss des Studienprogramms FOKUS Physik. Ich beschäftigte mich in diesem Rahmen weiterhin mit der Schnittstelle von Physik und Biologie, nämlich der Frage, wie im visuellen Kortex der Säugetiere spezies-übergreifende Strukturen entstehen können.“

Referenzen

[1] J. J. Kasianowicz, E. Brandin, D. Branton und D.W. Deamer: „Characterization of individual polynucleotide molecules using a membrane channel“, PNAS 93 (24): 13770-13773 (1996)

[2]  A. P. Ivanov, E. Instuli, C. M. McGilvery, G. Baldwin, D. W. McComb, T. Albrecht und J. B. Edel: „DNA Tunneling Detector Embedded in a Nanopore“, Nano Letters 11 (1): 279-285  (2011)

[3] Q. Zhao, Y. Wang, J. Dong, L. Zhao, X. F. Rui und D. Yu, “Nanopore-Based DNA -Analysis via Graphene Electrodes,” Journal of Nanomaterials, 2012:318950  (2012)

[4] „A nanochannel with an embedded transverse graphene tunneling electrode for molecular probing and as a future tool for DNA sequencing“, verfügbar unter mss3.libraries.rutgers.edu/dlr/showfed.php


Wissenschaftlicher Werdegang
  • 2007-2010
  • Bachelorstudium der Physik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg im FOKUS-Vorbereitungsprogramm
  • 2010-2011
  • Graduate student at Rutgers, the State University of New Jersey
  • 2011-2012
  • FOKUS-Masterstudent an der TP3 und dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen.

Publikationen
  • * B. Hofmann, E. Kätelhön, M. Schottdorf, A. Offenhäusser and B. Wolfrum: „Nanocavity electrode array for recording from electrogenic cells“, Lab. Chip. 2011, 11, 1054-1058 (2011)
  • * M. Schottdorf, B. Hofmann, E. Kätelhön, A. Offenhäusser, and B. Wolfrum: "Frequency-dependent signal transfer at the interface between electrogenic cells and nanocavity electrodes", Phys. Rev. E 2012, 85, 031917 (2012)