Projektdaten

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Directed quantum sensing of elevated temperatures at active zones inside a single living cell

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Die menschliche Körpertemperatur ist auf 37 °C stabilisiert. Die lokale Wärmeentwicklung innerhalb einer einzelnen Zelle ist eine grundlegende, aber höchst kontroverse wissenschaftliche Fragestellung. Unser Ziel ist die Entwicklung eines präzisen intrazellulären Nanothermometers für lokalisierte Temperaturmessungen (T) in einer einzelnen lebenden menschlichen Zelle. Hierzu synthetisieren wir einen biokompatiblen Quantensensor mit einer Auflösung von 10 bis 100 mK. Dieser basiert auf einem Hybridpartikel, bestehend aus einem Stickstoff-Fehlstelle-Farbzentrum (NV-) in einem Nanodiamanten und einem daran befestigten CuNi-Nanomagneten mit einem abgestimmten Curie-Übergang um TC = 37 °C. Die außergewöhnliche Empfindlichkeit dieses Nanothermometers beruht auf dem T-induzierten magnetischen Phasenübergang und der Quanten-basierten Messung des lokalen Magnetfelds durch das NV- Zentrum. Für die intrazellulären Messungen benötigt dieses Nanothermometer: (a) ein magnetisches Nanopartikel, das in unmittelbarer Nähe des fluoreszierenden Nanodiamanten dauerhaft angebracht werden muss, (b) die Temperaturkalibrierung jedes einzelnen intrazellulären Nanothermometers nach der Messung durch eine sehr schnelle Denaturierung der Zellen, und (c) einen optimierten zellulären Aufnahmemechanismus, um gezielt verschiedene Zellorganellen (z. B. Mitochondrien, Zellkern, Zytosol, Endosomen oder Lysosomen) anzusteuern. Die Aufnahme und die Kolokalisierung des NV-Quantensensors mit den aktiven Zonen in der Zelle werden durch Zweifarben-Superauflösungsmikroskopie-Methoden (STED, STORM, SIM) bestätigt. Unser Hauptziel ist also die genaue Überwachung erhöhter Temperaturen aktiver Mitochondrien, den „Kraftwerken“ der menschlichen Zelle.