Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weniger ist mehr - Biochemiker erforschen, auf welche Weise Elektronen mit geringer Energie Krebszellen zerstören können

19.12.2006
Es sind Zahlen, die beängstigen: Jedes Jahr erkranken in Deutschland über 400.000 Menschen an Krebs. Und durch die Alterung unserer Gesellschaft wird die Zahl der Neuerkrankungen in Zukunft noch weiter steigen.

Für Naturwissenschaftler aller Teildisziplinen ist dies Ansporn, die Therapiemöglichkeiten weiter zu erforschen. Eine der wichtigsten Verfahren im Kampf gegen den Krebs ist derzeit die Strahlentherapie. Dabei wird energiereiche Strahlung örtlich begrenzt auf jenen Bereich im Körper gerichtet, in dem sich der Tumor befindet. Durch Schädigungen der Erbsubstanz (DNA) sollen die bösartigen Tumor-Zellen absterben. Wegen ihrer Vorteile für die Patienten wird die Strahlentherapie oft eingesetzt - Schätzungen gehen davon aus, dass bis zum Jahr 2030 jeder vierte Bundesbürger einmal in seinem Leben mit der Strahlentherapie konfrontiert sein wird.

Leider wirken die eingesetzten Strahlen aber nicht nur auf die DNA der Tumorzellen. Auch das umliegende, gesunde Gewebe wird durch die Bestrahlung geschädigt. In den vergangenen Jahrzehnten beschäftigten sich deshalb zahllose Forschungsprojekte mit dem Thema Strahlenschäden und Strahlentherapie. Phänomene, wie etwa die Schädigung und Mutation des Erbguts, sind bereits umfassend dokumentiert. Welche molekularen Prozesse, diese Schäden jedoch auslösen, waren bislang weitgehend unbekannt. "Die Rolle von so genannten sekundären Elektronen, die bei der Bestrahlung auftreten, war kaum erforscht", sagt Prof. Eugen Illenberger vom Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin. "Insbesondere den Elektronen mit geringer Energie kommt hier eine Schlüsselrolle zu."

Mittlerweile arbeitet die Forschungsgruppe des Arbeitsbereichs Physikalische und Theoretische Chemie seit rund fünf Jahren an der Aufklärung jener molekularen Prozesse, die durch Strahlung in der DNA ausgelöst wird. Ein Projekt, das von Anfang an international ausgerichtet ist: Die DNA-Studien sind in europäische und internationale Forschungsnetzwerke eingebunden. "EIPAM" (Electron Induced Processes at the Molecular Level) etwa ist ein Netzwerk, das gezielt die Kommunikation zwischen Physikern, Chemikern, Biochemikern und Theoriegruppen in Europa, Nordamerika und Japan fördert.

Im Blickpunkt der Wissenschaftler stand zunächst die Frage, an welchen Stellen die Strahlung die DNA überhaupt schädigen kann. Die DNA ist eine chemische Verbindung aus Molekülketten. Dieses so genannte Biopolymer, besteht aus zwei miteinander verbundenen und ineinander gedrehten Strängen. Ein einzelner Strang ist aus vier verschiedenen DNA-Bausteinen aufgebaut: Thymin, Adenin, Guanin und Cytosin. Diese vier so genannten Basen verbinden über ihre charakteristischen Paarungen die beiden Ketten. Das Gerüst der DNA setzt sich zudem aus Zucker- und Phosphateinheiten zusammen. Jedes Zuckermolekül ist mit je einer Base und einer Phosphateinheit verbunden. Diese kleinen Einheiten aus Base, Zucker und Phosphat nennt man Nucleotide - von ihnen hängt die Stabilität der ganzen DNA ab. Denn wenn in den Nucleotiden die Bindung zwischen Zucker- und Phosphateinheit zerbricht, kann der Bruch des ganzen DNA-Stranges die Folge sein.

Der Aufbau der DNA und ihrer chemischen Verbindungen spielen bei der Forschung von Eugen Illenberger eine wichtige Rolle. Denn die DNA wird nach den Erkenntnissen der Wissenschaftler nicht direkt durch das auftreffende Strahlungsquant geschädigt. Aufgrund der elementaren Erhaltungssätze der Physik kann ein solches Teilchen nicht direkt das molekulare Netzwerk einer DNA aufbrechen oder verändern. Die zerstörerische Kraft birgt also nicht das Strahlungsquant selbst, sondern die so genannten sekundären Partikel. Diese Partikel entstehen beim Aufprall des Strahlungsquants auf das molekulare Netzwerk der Zelle. Wie ein großes Geschoss löst die Strahlung dabei aus dem Netzwerk der Zelle einen regelrechten "Elektronenschauer" heraus.

Verglichen mit dem hochenergetischen Strahlungsquanten besitzen die sekundären Elektronen wesentlich weniger Energie: Sie reicht in den Bereich von 20 bis 30 Elektronenvolt. Damit können die sekundären Partikel nicht ohne weiteres chemische Bindungen aufbrechen - noch nicht einmal durch eine direkte Kollision. Dafür sind die Elektronen viel zu klein; ihre Masse beträgt weniger als ein Tausendstel der Masse eines Atoms oder eines Moleküls. Wegen ihrer geringen Masse und Energie ging man bisher davon aus, dass niederenergetische Elektronen keine besondere Rolle bei der DNA-Schädigung spielen. Dabei gleiche das Ganze der Geschichte von David gegen Goliath, erklärt Ilko Bald, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an dem Projekt beteiligt ist. Zusammen mit Janina Kopyra und Constanze König erforscht er die Reaktionen einzelner DNA-Bestandteile, wie zum Beispiel Zucker, auf niedrigenergetische Elektronen. "Unsere Ergebnisse klingen zunächst paradox: Die DNA wird erst dann beschädigt, wenn niedrigenergetische Elektronen in der Zelle noch weiter heruntergebremst werden und nur noch einen Bruchteil der Energie einer chemischen Bindung besitzen."

Erst dann können die Elektronen ihre spezifische Wirkung auf die Basen in der DNA entfalten. Die Basen innerhalb des DNA-Gerüstes funktionieren nämlich wie Antennen. Sie können die Sekundärelektronen aufnehmen und dadurch die DNA verändern. Ihre Antennen sprechen jedoch nur auf Elektronen eines bestimmten Intervalls im niederenergetischen Bereich an. "Im Wissenschafts-Jargon heißt das: DNA-Basen besitzen niederenergetische Resonanzen mit repulsivem Charakter", erklärt Eugen Illenberger. "Repulsiv" bedeutet "abstoßend" und wenn die DNA-Base erst ein solches Elektron aufnimmt, ändert sich das energetische Verhältnis. Die Basenpaare halten nicht mehr zusammen, sondern stoßen sich ab. Die chemische Verbindung zerbricht und mit ihr die DNA - die Verbindungen des Doppelstrangs werden dann zu Sollbruchstellen.

Die Ergebnisse der Berliner Forscher konnten bereits international überzeugen: Die Herausgeber des wichtigen Fachjournals der American Physical Society erklärten die Publikation des Teams um Eugen Illenberger zur "Frontier Research", auch in anderen Fach-Publikationen, so genannten High Profile Journalen, erhielten ihre Artikel einen hervorgehobenen Status. Bis diese Forschungsergebnisse für die Weiterentwicklung der medizinischen Strahlentherapien tatsächlich genutzt werden, kann jedoch noch einige Zeit vergehen. Am Institut für physikalische und theoretische Chemie versucht man deshalb gezielt mit Strahlenbiologen und Medizinern in Kontakt zu treten. "Unsere Erkenntnisse können zum Beispiel bei der Entwicklung effektiverer Medikamente, die die Strahlentherapie gegen Krebs unterstützen, genutzt werden", sagt Eugen Illenberger.

Aber auch andere Einsatzgebiete sind denkbar: Die Tatsache, dass bei der Feinabstimmung der Elektronenergie in Molekülen chemische Bindungen an ganz bestimmten Stellen gebrochen werden können, ist eine neu entdeckte Eigenschaft, die besonders für technische Anwendungen interessant ist. Bei der Mikrostrukturierung von Oberflächen etwa, einem Verfahren das in der Informationstechnologie sehr wichtig ist. Auch wenn diese Erkenntnis quasi ein Nebenprodukt der eigentlichen Forschungsidee ist - für Eugen Illenberger und seine Arbeitsgruppe sind es genau diese Ergebnisse, die sie an ihrem Fach so faszinieren. "Grundlagenforschung steckt eben immer voller Überraschungen."

Von Julia Kimmerle

Weitere Informationen erteilt Ihnen:
Prof. Dr. Eugen Illenberger vom Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin, Telefon: 030 / 838-55350 oder 838-52096, E-Mail: iln@chemie.fu-berlin.de

Ilka Seer | idw
Weitere Informationen:
http://www.fu-berlin.de

Weitere Berichte zu: DNA Elektron Strahlentherapie Strahlung Strahlungsquant

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie Pflanzen ihr Gedächtnis vererben
21.08.2017 | Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI)

nachricht Eine Karte der Zellkraftwerke
18.08.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

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: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Studie für Patienten mit Prostatakrebs: Einteilung in genomische Gruppen soll Therapie präzisieren

21.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Forscher entwickeln zweidimensionalen Kristall mit hoher Leitfähigkeit

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein neuer Indikator für marine Ökosystem-Veränderungen - der Dia/Dino-Index

21.08.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz