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Dopamin ist ein bedeutendes Signalmolekül für Nervenzellen. Bisher ließ sich seine Konzentration räumlich und zeitlich nicht genau bestimmen. Dank eines neuen Verfahrens ist das jetzt möglich: Ein Forschungsteam aus Bochum, Göttingen und Duisburg nutzte dafür modifizierte Kohlenstoff-Nanoröhren, die in der Gegenwart des Botenstoffs Dopamin heller leuchten. Mit diesen Sensoren ist es gelungen, die Freisetzung von Dopamin aus Nervenzellen mit bisher nicht erreichter Auflösung sichtbar zu machen. Die Forschenden um Prof. Dr. Sebastian Kruss von der Physikalischen Chemie der RUB und Dr. James Daniel sowie Prof. Dr. Nils Brose vom Göttinger Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften berichten darüber in der Zeitschrift PNAS vom 25. Mai 2022.

Fluoreszenz verändert sich in Anwesenheit von Dopamin

Mit dem Botenstoff Dopamin wird unter anderem das Belohnungszentrum des Gehirns gesteuert. Funktioniert diese Signalübertragung nicht mehr, kann es zu Erkrankungen wie Parkinson kommen. Außerdem werden die chemischen Signale durch Drogen wie Kokain verändert und spielen eine Rolle bei Suchterkrankungen. „Allerdings gab es bisher keine Methode, mit der man die Dopaminsignale gleichzeitig mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung sichtbar machen konnte“, erläutert Sebastian Kruss, Leiter der Gruppe Funktionale Grenzflächen und Biosysteme an der RUB und Mitglied im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV, und dem Graduiertenkolleg International Graduate School of Neuroscience (IGSN).

Hier kommen die neuartigen Sensoren ins Spiel. Sie basieren auf sehr dünnen Röhren aus Kohlenstoff, etwa 10.000-mal dünner als ein menschliches Haar. Bestrahlt man sie mit sichtbarem Licht, leuchten sie anschließend im Nah-Infrarotbereich mit Wellenlängen von 1.000 Nanometern und mehr.

„Wir haben diese Eigenschaft durch Bindung verschiedener kurzer Nukleinsäuresequenzen an die Kohlenstoff-Nanoröhren systematisch so modifiziert, dass sie ihre Fluoreszenz ändern, wenn sie mit definierten Molekülen in Kontakt kommen“, erklärt Sebastian Kruss. So ist es seiner Arbeitsgruppe gelungen, Kohlenstoff-Nanoröhren zu winzigen Nanosensoren zu machen, die zum Beispiel spezifisch an Dopamin binden und je nach Dopaminkonzentration mehr oder weniger stark fluoreszieren. „Dass solche Sensoren für die Neurobiologie interessant sein würden, war uns sofort klar“, meint Kruss.