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Wenn Elektronen Walzer tanzen - Rechts- und linkshändige Moleküle lassen sich mit Hilfe kurzer Laserpulse auseinanderhalten

19. Februar 2018

Die Identifikation rechts- und linkshändiger Moleküle ist entscheidend für viele Anwendungen in der Chemie und Pharmazie. Ein internationales Forscherteam (CELIA-CNRS/INRS/Max-Born-Institut/SOLEIL) hat nun ein neues originelles und hochempfindliches Verfahren vorgestellt, mit dem sich die Händigkeit von Molekülen um ein Vielfaches besser bestimmen lässt als mit bisherigen Methoden. Mit Hilfe extrem kurzer Laserpulse bringen die Forscher Elektronen in Molekülen zum Schwingen und können so den Drehsinn der Moleküle bestimmen. Die Forschungsergebnisse sind in "Nature Physics" erschienen.

Nicht nur beim Menschen ist die Frage wichtig, ob jemand Rechts- oder Linkshänder ist. Je nachdem, mit welcher Hand wir etwas greifen, umschließen unsere Finger ein Objekt im Uhrzeigersinn oder gegen ihn. Auch in der Welt der Moleküle ist die Händigkeit von großer Bedeutung. Bei Molekülen ist die Eigenschaft, eine bevorzugte Händigkeit zu haben, sogar noch viel wichtiger als beim Menschen: Denn bestimmte Substanzen können je nachdem, ob sie rechts- oder linkshändig vorliegen, entweder giftig oder heilsam sein. Manche Medikamente dürfen deshalb nur entweder links- oder rechtshändige Moleküle enthalten.

Das Problem dabei liegt darin, rechts- und linkshändige Moleküle, die sonst völlig identisch sind, nach ihrem "Chiralität" genannten Drehsinn zu identifizieren und zu trennen. Denn außer bei Kontakt mit einem anderen chiralen Stoff verhalten sie sich völlig gleich. Ein internationales Forscherteam hat nun ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich die Händigkeit von Molekülen mit extremer Empfindlichkeit bestimmen lässt.

Seit dem 19. Jahrhundert ist bekannt, dass Moleküle in unterschiedlicher Händigkeit vorliegen können. Bekanntestes Beispiel ist das Erbgut, wie etwa menschliche DNA, dessen Struktur einem rechtsdrehenden Korkenzieher entspricht. Zur Bestimmung der Händigkeit nutzt man üblicherweise sogenannte zirkular polarisierte Lichtstrahlen, die entweder rechts- oder linksdrehende elektromagnetische Felder aufweisen - wie ein Korkenzieher entlang der Ausbreitungsachse gewickelt. Dieses chirale Licht wird etwas besser oder schlechter absorbiert, wenn es auf Moleküle mit gleichem oder umgekehrtem Drehsinn trifft. Der Effekt ist jedoch klein, da die Wellenlänge von Licht sehr viel größer ist als die atomaren Abstände in Molekülen. Das Licht "spürt" den Drehsinn der Moleküle also nur ganz schwach.

Mit der neuen Methode lässt sich das Signal aber enorm verstärken. "Der Trick besteht darin, die Moleküle mit einem sehr kurzen Laserpuls zu bestrahlen", sagt Prof. Olga Smirnova, Leiterin der Theoriegruppe am Max-Born-Institut. Solch ein Puls ist nur rund eine zehntel billionstel Sekunde lang und überträgt Energie auf die Elektronen im Molekül. Das regt sie für kurze Zeit zu Schwingungen an. Da sich die Elektronen in der rechts- oder linkshändigen Struktur des Moleküls befinden, nimmt auch ihre Schwingung diesen Drehsinn an.

Die Schwingung lässt sich dann mit einem zweiten Laserpuls auslesen. Dieser Puls muss ebenfalls kurz sein, um die Richtung der Elektronenbewegung registrieren zu können. Er hat so viel Energie, dass er die angeregten Elektronen aus dem Molekül herausschlägt. Je nachdem, ob die Elektronen rechts- oder linkshändig orientierte Schwingungen vollführten, fliegen sie dann entweder in Richtung des Laserstrahls aus dem Molekül oder in umgekehrter Richtung.

Bei Experimenten am "Centre for Intense Lasers and Applications" CELIA) der Universität Bordeaux konnte auf diese Weise sehr effizient die Händigkeit der Moleküle bestimmt werden, und zwar mit einem 10.000-fach stärkeren Signal als mit der üblicherweise genutzten Methode. Außerdem lassen sich so chirale chemische Reaktionen einleiten und über die Zeit verfolgen. Das Kunststück besteht darin, sehr kurze Laserpulse mit der passenden Frequenz bereitzustellen. Diese Technologie stammt aus der physikalischen Grundlagenforschung und ist erst seit Kurzem verfügbar. Sie könnte sich für andere Bereiche als äußerst hilfreich erweisen, bei denen die Händigkeit von Molekülen eine Rolle spielt, etwa für die chemische und pharmazeutische Forschung.

Da die Identifikation der Händigkeit von Molekülen mit der neuen Methode gelungen ist, denken die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits darüber nach, auch ein Laser-Trennverfahren für rechts- und linkshändige Moleküle zu entwickeln. (Text: Dirk Eidemüller / Forschungsverbund Berlin e.V.)

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Durch einen ultrakurzen, zirkular polarisierten Laserpuls folgen die Elektronen einer spiralförmigen Rechts- oder Linksdrehung, die von der Händigkeit der Moleküle abhängt. Quelle: Samuel Beaulieu

Originalartikel: Nature Physics
S. Beaulieu, A. Comby, D. Descamps, B. Fabre, G. A. Garcia, R. Géneaux, A. G. Harvey, F. Légaré, Z. Mašin, L. Nahon, A. F. Ordonez, S. Petit, B. Pons, Y. Mairesse, O. Smirnova and V. Blanchet: Photoexcitation Circular Dichroism in Chiral Molecules
Nature Physics (2018) online, doi:10.1038/s41567-017-0038-z.

Kontakt

Prof. Dr. Olga Smirnova, Tel.: 030 6392 1340

 

 

 
     
 


Flexibilität und Ordnung - die Wechselwirkung zwischen Ribonukleinsäure und Wasser

16. Januar 2018

Ribonukleinsäure (RNA) spielt eine Schlüsselrolle für biochemische Prozesse, die auf zellulärer Ebene in einer wässrigen Umgebung ablaufen. Mechanismen und Dynamik der Wechselwirkung zwischen RNA und Wasser wurden jetzt durch Schwingungsspektroskopie im Ultrakurzzeitbereich aufgeklärt und theoretisch analysiert.

Ribonukleinsäure (RNA) ist ein elementarer Bestandteil biologischer Zellen. Während Desoxyribonukleinsäure (DNA) das Speichermedium der Erbinformation darstellt, verfügt RNA über eine vielfach komplexere biochemische Funktionalität. Dies beinhaltet die Informationsübertragung in Form von mRNA, RNA-vermittelte katalytische Aktivität in Ribosomen bis hin zur Speicherung von Erbinformation in Viren. Chemisch besteht RNA aus einer Abfolge organischer Nukleobasenmoleküle, die durch ein sog. Rückgrat aus Phosphat- und Zuckergruppen zusammengehalten werden. Ein derartiger Molekülstrang kann einzeln oder gepaart in Form einer Doppelhelix vorliegen. Beide makromolekularen Formen sind in eine Wasserhülle eingebettet; die Sauerstoffatome der Phosphat- und Zuckergruppen stellen ausgezeichnete Kontaktstellen für Wassermoleküle dar. Die Struktur der Wasserhülle weist hierbei Fluktuationen in einem Zeitbereich von Bruchteilen einer Pikosekunde (1 ps = 10-12 s = 1 Millionstel einer Millionstel Sekunde) auf. Die Wechselwirkung zwischen RNA und Wasser und ihre Rolle für die Ausbildung dreidimensionaler RNA-Strukturen sind erst in Ansätzen verstanden und experimentell schwer zugänglich.

Forscher am Max-Born-Institut haben jetzt mit einer neuen experimentellen Methode die Wechselwirkung zwischen RNA und der umgebenden Wasserhülle in Echtzeit verfolgt. Dabei dienen Schwingungen des RNA-Rückgrats als empfindliche Sonden für den Einfluss der unmittelbar benachbarten Wassermoleküle auf Struktur und Dynamik der RNA. Mit der sog. zweidimensionalen Schwingungsspektroskopie lassen sich die zeitliche Entwicklung von Schwingungsanregungen aufzeichnen und molekulare Wechselwirkungen innerhalb der RNA wie auch zwischen RNA und Wasser bestimmen. Dabei zeigt sich, dass Wassermoleküle an der RNA-Oberfläche ultraschnelle Kippbewegungen in Bruchteilen einer Pikosekunde ausführen, ihre lokale räumliche Anordnung jedoch für einen Zeitraum von mehr als 10 Pikosekunden beibehalten. Dieses Verhalten weicht von der Dynamik des reinen Wassers deutlich ab und ist stark durch die räumlichen Randbedingungen an der RNA-Oberfläche beeinflusst. Einzelne Wassermoleküle verbinden hierbei benachbarte Phosphatgruppen und bilden eine teilweise geordnete Struktur, die durch Kopplung an die Zuckereinheiten vermittelt wird.

Die sich bewegenden Wassermoleküle erzeugen eine elektrische Kraft, mit der die Wasserfluktuationen auf Schwingungen der RNA übertragen werden. Die Schwingungen des RNA-Rückgrats zeigen ein unterschiedliches dynamisches Verhalten, das von der lokalen Wasserumgebung bestimmt wird und deren Heterogenität widerspiegelt. RNA-Schwingungen koppeln ihrerseits aneinander, sie tauschen Energie untereinander und mit der Wasserhülle aus. Die damit verbundene ultraschnelle Umverteilung von Überschussenergie verhindert ein lokales Überhitzen der makromolekularen Struktur. Dieses komplexe Szenario wurde durch detaillierte theoretische Berechnungen und Simulationen analysiert, mit denen u.a. die Schwingungsbewegungen des RNA-Rückgrats erstmals komplett und quantitativ identifiziert wurden. Vergleichende Experimente an DNA enthüllen Gemeinsamkeiten, aber auch charakteristische Unterschiede im Verhalten dieser beiden elementaren Biomoleküle, wobei sich RNA durch eine strukturiertere Anordnung der umgebenden Wasserhülle auszeichnet. Die Ergebnisse der Studie demonstrieren das vielfältige Potential von nicht-invasiver zeitaufgelöster Schwingungsspektroskopie, um das Wechselspiel von Struktur und Dynamik auf molekularen Längen- und Zeitskalen in komplexen biomolekularen Systemen zu entschlüsseln.

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Links: Struktur der RNA-Doppelhelix, blaue Sphären stellen Natrium-Gegenionen dar. Rechts: Vergrößerung des aus Phosphat- und Zuckergruppen bestehenden RNA-Rückgrats, verbrückende Wassermoleküle sind schematisch dargestellt. Die Schwingungen des RNA-Rückgrats dienen als empfindliche Sonden, um den Einfluss unmittelbar benachbarter Wassermoleküle auf Struktur und Dynamik der RNA in Echtzeit zu verfolgen.


Abb. 2 (Klick für vergrößerte Ansicht)
Abb. 2: Zweidimensionale Schwingungsspektren von RNA (oben) und DNA (unten) im Frequenzbereich der Zucker-Phosphat-Schwingungen des Rückgrats. Das RNA Spektrum weist zusätzliche Banden (Konturen) entlang der Frequenzdiagonalen ν13 und eine komplexere Verteilung von Außerdiagonalbeiträgen auf. Neben den Frequenzpositionen geben die Linienformen der einzelnen Banden (Konturen) Aufschluss über Details der Wechselwirkung mit benachbarten Wassermolekülen.

Originalartikel:
E. M. Bruening, J. Schauss, T. Siebert, B. P. Fingerhut, T. Elsaesser: Vibrational Dynamics and Couplings of the Hydrated RNA Backbone: A Two-Dimensional Infrared Study.
J. Phys. Chem. Lett. 9, 583-587 (2018). DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b03314.

Kontakt

Dr. Benjamin Fingerhut, Tel.: 030 6392 1404

Prof. Dr. Thomas Elsaesser, Tel.: 030 6392 1400

 

 

 
     
 


Marc Vrakking zum Chefredakteur von "Journal of Physics B" ernannt.

1. Januar 2018

Prof. Marc Vrakking, Direktor Bereich A des Max-Born-Institutes wurde am 1. Januar 2018 zum Chefredakteur des "Journal of Physics B" ernannt. Er tritt damit die Nachfolge von Prof. Paul Corkum, "University of Ottawa" an, der in dieser Funktion seit 2011 tätig war.

Das "Journal of Physics B", eine Publikation des britischen Instituts für Physik (IOP), zählt zu den wesentlichen Zeitschriften im Bereich der Atomaren, Molekularen und Optischen Physik (AMO). Insbesondere auf den Feldern der Starkfeldphysik, der Attosekundenforschung sowie auf dem Gebiet der Freien Elektronen Laser spielt die Zeitschrift eine bedeutende Rolle. Dies kommt in einer Vielzahl wichtiger Beiträge (in den Rubriken "Topical Reviews", "Tutorials", "Special Issues" und "Roadmaps"), die kontinuierlich in der Zeitschrift erscheinen, zum Ausdruck. Zwischen den Themen der Zeitschrift und dem Forschungsprogramm des Bereichs A am Max-Born-Institut gibt es inhaltlich zahlreiche Bezugspunkte.

Kontakt:

Prof. Marc Vrakking Tel. (030) 6392 1200

 
     

 
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