Photophysik und Bindung von Farbstoff-Makrozyklus-Komplexen mit Einzelmolekülauflösung
- Neues aus der Fakultät 2026
Im Mittelpunkt der Arbeit steht das Oxazin‑Fluorophor ATTO655, ein Farbstoff, der häufig in der Einzelmolekül‑Fluoreszenzspektroskopie und in hochauflösender Mikroskopie eingesetzt wird. Die Forschenden untersuchten, wie dieser Farbstoff mit zwei makrozyklischen Wirtsmolekülen – Cucurbit[8]uril (CB8) und p‑Sulfonatocalix[4]aren(sCX4) – wechselwirkt und wie diese Bindung seine optischen Eigenschaften verändert. Makrozyklen sind ringförmige Moleküle, die andere Moleküle in ihrem Inneren oder an ihrer Oberfläche binden können.
Solche supramolekularen Komplexe spielen eine wichtige Rolle in der chemischen Sensorik, in der Bioanalytik und in der Bildgebung, da sich durch die Bindung häufig Farbe, Intensität oder Lebensdauer der Fluoreszenz verändern.
Die Experimente zeigten, dass ATTO655 mit dem Makrozyklus CB8 einen klassischen Einschlusskomplex bildet. Dabei wird der Farbstoff teilweise in die hydrophobe Kavität des Wirtsmoleküls aufgenommen, was zu einer erhöhten Fluoreszenzintensität und einer längeren Fluoreszenzlebensdauer führt. Überraschend anders verhält sich hingegen der zweite untersuchte Makrozyklus sCX4. Statt den Farbstoff einzuschließen, bindet sCX4 ATTO655 von außen an seine aromatischen Strukturen. Diese führt zu einer starken Abschwächung der Fluoreszenz und eröffnet gleichzeitig die Möglichkeit, andere Moleküle wie den Neurotransmitter Cholin an den klassischen Bindungsstellen des Makrozyklus andocken zu lassen.
Besonders überraschend war, dass die Bindung von Cholin an die Kavität indirekt die Wechselwirkungen mit dem Farbstoff ATTO655 beeinflusst.
Dadurch wird sowohl die Bindungsstärke als auch das photophysikalische Verhalten von ATTO655 beeinflusst – ein Effekt, der als allosterische Regulation, wie er sonst bei Enzymen beobachtet wird, beschrieben werden kann.
Das Team um Prof. Cordes, Prof. Linser (TU Dortmund) und Prof. Hennig (Uni Osnabrück) kombinierte in dieser Publikation verschiedene spektroskopische Methoden die zusammen mit NMR Spektroskopie detaillierte Einblicke in die Struktur der Komplexe erlauben. Dazu etablierte das Team auch neuartige Strukturmodellierungsmethoden der Komplexe, die sonst eher im Bereich der Strukturbiologie eingesetzt werden. Neu war auch der Einsatz von Einzelmolekülmessungen im Bereich der supramolekularen Chemie, die es erlaubten, dynamische Prozesse wie Komplexbildung, Dissoziation und photophysikalische Prozesse direkt zu beobachten.
"Die Ergebnisse liefern völlig neue Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Farbstoffen und supramolekularen Wirtsmolekülen und sind der Startpunkt für eine Reihe neuer Projekt in unserer Gruppe", sagt Cordes.
"Gleichzeitig zeigen sie, wie sich Fluoreszenzeigenschaften gezielt modulieren lassen – ein Ansatz, der zukünftig für empfindlichere Sensoren, verbesserte Bioimaging‑Methoden und neue supramolekulare Assays genutzt werden könnte."
Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft sowie durch den Exzellenzcluster RESOLV unterstützt.