Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Goldmedaille für physikalische Experimente an biologischen Molekülen

16.08.2001


International EPR Society ehrt FU-Physiker Prof. Klaus Möbius am Dienstag, dem 21. August 2001.


Prof. Dr. Klaus Möbius



Mit Mikrowellen hat wohl jeder hin und wieder zu tun: um ein Fertiggericht zu erwärmen oder die Reste vom Vortag. Eingesetzt werden Mikrowellen aber nicht nur in der Küche sondern auch in ganz anderen Bereichen, z.B. bei der Funknavigation. Für militärische Anwendungen wurde diese Technik im Kalten Krieg immer weiter perfektioniert. Da die präzise Steuerung von Raketen und Abwehrsystemen extrem hochfrequente Mikrowellen erfordert, entwickelten Experten sowohl in der Sowjetunion als auch in den USA die notwendigen Mikrowellengeneratoren: Bauteile, von denen zivile Forscher nur träumen konnten. Aber die militärischen Entwicklungen blieben streng geheim. Erst nachdem der Eiserne Vorhang gefallen war, war es möglich, an diese Grenztechnologien heranzukommen. Eine solche Technologie ist das "Orotron" aus Russland: eine Strahlungsquelle, die 360 Gigaherz Mikrowellen erzeugt. Der Experimentalphysiker Prof. Dr. Klaus Möbius von der Freien Universität Berlin arbeitet heute mit "Orotron". Er allerdings setzt es für ganz zivile Zwecke ein. Mit seinen Mitarbeitern untersucht Prof. Möbius die Prozesse, die bei der Photosynthese ablaufen sowie bei der Reparatur von Strahlenschäden an der DNA mittels des Enzyms DNA-Photolyase. Dazu hat er die Methoden der elektronenparamagnetischen Resonanz, kurz EPR, bis an die Grenze des technisch machbaren ausgereizt - eine Leistung, für die ihm die International EPR Society nun ihre höchste Auszeichnung, die Gold Medal, verleiht. Die Preisverleihung findet am Dienstag, dem 21. August 2001, anlässlich der Tagung der International Society of Magnetic Resonance in Rhodos/Griechenland statt.



Die EPR nutzt die Tatsache aus, dass sich ein einzelnes Elektron wie ein kleiner Magnet verhält und sich ähnlich einer Kompassnadel parallel zu einem äußeren Magnetfeld ausrichtet. Prinzipiell kann es sich auch genau entgegengesetzt zum äußeren Magnetfeld orientieren. Um von der parallelen in die antiparallele Ausrichtung zu wechseln, benötigt das Elektron Energie, die ihm durch geeignete Mikrowellen zugeführt werden kann: Je größer das äußere Magnetfeld desto mehr Energie kostet die Umorientierung und desto höher muß die Frequenz der Mikrowelle sein. Klaus Möbius benötigt in seinen Experimenten äußerst starke Magnetfelder, wie sie nur mit supraleitenden Magneten erzeugt werden können, und entsprechend extrem hochfrequente Mikrowellen. Bei den EPR-Experimenten setzt man die Probe einer Mikrowelle mit fester Frequenz aus und beobachtet, welche Magnetfeldstärke genau "passt", so dass die Elektronen von einer Ausrichtung in die andere wechseln können. Diese Situation wird als paramagnetische Resonanz bezeichnet. Allerdings kann die EPR nur eingesetzt werden, wenn die Proben ungepaarte Elektronen enthalten, das sind Elektronen, die in dem untersuchten System solitär - ohne ein "Partner"elektron existieren.

Die Arbeitsgruppe Möbius untersucht große Proteinkomplexe, in denen Photosynthese oder ähnliche Prozesse ablaufen. Die Messungen beginnen mit einem kurzen Laser-Lichtblitz, der in den Molekülkomplexen die entsprechenden Prozesse auslöst. Im Fall der Photosynthese wird das Licht von "Chlorophyllantennen" eingefangen und in das Reaktionszentrum des Photosynthesekomplexes weitergeleitet. Hier lösen die Lichtquanten eine Reaktionskaskade aus, in der Elektronen über die Zellmembran transportiert werden und sie dadurch wie einen Akku aufladen. Diese Reaktionen laufen in einer Reihe von molekularen Untereinheiten ab, entlang derer der Ladungstransport stattfindet. Bei diesen Zwischenschritten entstehen Zustände mit ungepaarten Elektronen, mit denen sich in den EPR-Experimenten die Prozesse bei der Photosynthese verfolgen lassen: "Ein Elektron ist wie eine Sonde, die über das ganze Molekül läuft und abtastet, welche kleinen molekularen Magnetfelder von den Atomkernen dort sind und wie sie sich verändern, wenn z.B. ein Molekül mit seinem Nachbarmolekül reagiert und dadurch seinen elektromagnetischen Zustand verändert", erklärt Klaus Möbius.

Da sich bei der EPR das von außen angelegte Magnetfeld und die zusätzlichen molekularen Felder addieren, variiert man das äußere Feld und beobachtet, wann eine Resonanz auftritt. "Als Ergebnis der Messung erhält man ein Spektrum, und dieses Spektrum spiegelt die Struktur der Anordnung von Kernen und Elektronen in solch einem biologischen Molekül wider." Damit lassen sich aber noch nicht die einzelnen Schritte bei dem Elektronentransport zeitlich verfolgen, sie dauern teilweise nicht länger als eine Nanosekunde (in einer Nanosekunde bewegt sich ein Düsenjäger, der mit einer Geschwindigkeit von 3.000 km/h fliegt, knapp den Tausendstel Teil eines Millimeters vorwärts). Daher wenden Möbius und seine Mitarbeiter verschiedene Techniken an, bei denen ein festes Magnetfeld von außen angelegt wird und ein extrem kurzer Mikrowellenpuls eingestrahlt wird. Er zwingt die magnetischen Momente kurzzeitig in eine Ordnung, die anschließend gleich wieder zerfällt. Diesen Zerfall studieren die Wissenschaftler bei Tausenden von Experimenten mit schrittweise verändertem Magnetfeld und setzen die Ergebnisse zu einem dreidimensionalen Bild zusammen. Dieses verrät ihnen Einzelheiten über die Prozesse, die bei dem Elektronentransport ablaufen, z.B. welche Moleküle dabei miteinander reagieren und welche Zwischenprodukte entstehen.

Ähnliche Experimente führt die Gruppe Möbius an dem Enzym DNA-Photolyase durch, welches im Körper besonders stark durch UV-Strahlung gefährdeter Tiere gebildet wird, beispielsweise neugeborener Känguruhs oder kleiner durchsichtiger Fische. Es ermöglicht eine sehr effiziente Reparatur von UV-Schäden an der DNA, bei denen zwei gegenüberliegende Basen an dem DNA-Strang sich zu einem Doppelmolekül verbunden haben. Die Wirkungsweise der DNA-Reparatur durch die Photolyase beruht ebenfalls auf der Absorption von Lichtenergie und dem Transport eines Elektrons, welches die fehlerhafte Bindung wieder aufspaltet.

Wenn die einzelnen Schritte bei der Photosynthese und der DNA-Reparatur genau verstanden sein werden, wird es vielleicht möglich sein, künstliche biologische Photozellen herzustellen bzw. diesen effizienten DNA-Reparaturmechanismus durch neuentwickelte Medikamente auch beim Menschen auszulösen.

Die Beobachtung der unglaublich schnellen Prozesse gelang Möbius erst, indem er die EPR-Techniken weiterentwickelte und optimierte. Mit am längsten und mühsamsten war dabei, die Kontakte zu den russischen Partnern aufzubauen und zu pflegen, um deren Wissen über die Konstruktion der notwendigen Mikrowellenbauteile nutzen zu können. "Vor zehn Jahren wären diese Experimente noch völlig undenkbar gewesen, man hätte davon träumen, aber sie nicht realisieren können. Das ist unser ziviler Spin-Off vom Ende des Kalten Krieges."


Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:
Prof. Dr. Klaus Möbius, Institut für Experimentalphysik der Freien Universität Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin, Tel.: 030 / 838-52770, Fax: 838-56046, E-Mail: klaus.moebius@physik.fu-berlin.de

Gabriele André | idw

Weitere Berichte zu: Elektron Magnetfeld Mikrowelle Molekül Photosynthese

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Krebsdiagnostik: Pinkeln statt Piksen?
25.05.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Kugelmühlen statt Lösungsmittel: Nanographene mit Mechanochemie
25.05.2018 | Technische Universität Dresden

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics