Innovationsfeld - Sensortechnologie zur Kontrolle von Quantensystemen
NV- Qubit zur präzisen Erfassung der Rotations- und Translationsmobilität aktiver Proteine
Diamantensensoren tanzen Walzer mit ATP Synthase
Aktive Proteine steuern das Zellleben. Das Enzym FoF1-ATP Synthase liefert dafür die Energie in Form des Moleküls ATP, in Bakterien, in Pflanzen und Tieren, und beim Menschen. Als rotierender Nanomotor wandelt dieses Enzym ein elektrochemisches Membranpotential sehr effizient und schnell in eine energiereiche chemische Bindung im Molekül ATP um. Diese gespeicherte Energie wird dann für zelluläre Prozesse genutzt. Die komplexe Zufallsdynamik der Drei-Schritt-Motorik lässt sich nur in einem einzelnen, räumlich-zeitlich getrennten Enzym unter dem Mikroskop beobachten. Quantensensoren wie das NV-Farbzentrum in Nanodiamanten können dreidimensionale Bewegungen mit höchster Präzision erfassen, wenn sie als Marker an aktiven Proteine gekoppelt werden. Das Projekt kombiniert nun die Expertise in der Herstellung von NV-dotierten Nanodiamanten und den Mess- und Analyseverfahren der NV-Spin-Manipulation mit einer sensitiven, aber rigiden Kopplungschemie von Festkörpern an weiche Proteine in wässriger Lösung. Der Rotationsmotor der gereinigten, modifizierten FoF1-ATP Synthase treibt so den gekoppelten Sensor an, und der NV-Quantensensor berichtet über alle Einzelschritte des Motors. Zwanzig Jahre nach den ersten gemeinsamen Vorüberlegungen zu diesem Projekt sind nun alle experimentellen Voraussetzungen geschaffen. Die FoF1-ATP-Synthase wird in Jena präpariert, die Kopplungschemie und das Quantensensormodul in Stuttgart und die NV-Spin-Manipulationswerkzeuge in Ulm. Ziel ist die gemeinsame quantenbasierte Untersuchung einzelner aktiver Proteine.
