Fluoreszenzlebensdauer-Korrelationsspektroskopie zum Nachweis und zur Quantifizierung von Kupfer(II)-Ionen

Abstract

Aufgrund der Eigenschaft zwischen seinen beiden Redoxzuständen zu wechseln, stellt Kupfer eines der wichtigsten Übergangsmetalle in Organismen dar. Dort kann es eine Vielzahl an Prozessen katalysieren. Diese Redoxaktivität hat zur Folge, dass Organismen eine strenge Regulation des Kupferhaushaltes benötigen. Eine gestörte Kupferhomöostase kann verschiedene pathologische Prozesse mit weitreichenden Auswirkungen auf den betroffenen Organismus auslösen. Beispielsweise kann eine dysfunktionale Kupferhomöostase zu neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson führen. Die genaue Rolle von Kupfer ist bei vielen Krankheiten und Prozessen jedoch noch nicht abschließend geklärt. In dieser Arbeit wird ein hochaffiner Kupfersensor basierend auf einem natürlich vorkommenden Tetrapeptid synthetisiert. Der Sensor ist mit einem Fluoreszenzfarbstoff versehen, dessen Fluoreszenzlebensdauer bei Komplexierung von Kupfer(II)-Kationen aufgrund von FRET abnimmt. Die spektrosckopischen Eigenschaften sowie das Verhalten gegenüber Übergangsmetallkationen werden beschrieben. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe der Fluoreszenzlebensdauer-Korrelationsspektroskopie die Konzentration des Sensors und des Sensor-Kupfer-Komplexes gleichzeitig auf Einzelmolekülebene bestimmt werden kann. Diese Arbeit zeigt einen möglichen Ansatzpunkt für eine neue Art von Sensoren und Messmethoden für zukünftige in-vivo Messungen, um das Verständnis über die exakte Rolle von Kupfer-Ionen in Organismen zu vertiefen.

Due to its redox-cycling capability, copper is one of the most important transition metals in many organisms in which it catalyzes a manifold of different processes. As a result of copper’s redox-activity, organisms have to maintain a strict copper homeostasis. A dys-functional copper homeostasis may lead to multifarious pathological processes in cells with very severe ramifications for the affected organisms. In humans for example a dysfunctional copper homeostasis may lead to neurodegenerative diseases like Alzheimer’s or Parkinson’s Disease. In many diseases and processes the exact role of copper ions is still not completely clarified. In this work, a high affinity copper sensor based on a naturally occurring tetrapeptide is synthesized. The sensor is tagged with a fluorescent dye whose fluorescence lifetime decreases on binding to copper(II)-cations due to resonant energy transfer from the dye to the copper(II)-peptide-complex. Its photophysical properties and behavior toward transition-metal ions are characterized and investigated. It is shown that by using fluo-rescence lifetime correlation spectroscopy, the concentration of both sensor and sensor-copper-complex can be simultaneously measured on a single molecule level. Conclusively, this work presents a possible starting point for a new type of sensor and measurement for future in-vivo studies to further the understanding of the exact role of copper-ions in organisms.