Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Choreografie der Moleküle – Röntgenblitze „filmen“ molekulare Schalter

20.05.2010
Einem Forscherteam der Max-Planck-Institute für biophysikalische Chemie, für medizinische Forschung und für Kernphysik sowie des European XFEL, der Universität Göttingen und des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) ist es erstmals gelungen, Freie-Elektronen-Laser-Strahlung für die Untersuchung chemischer Kristallstrukturen einzusetzen.

Die Aufnahmen erfolgten mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY. Wie die Experimente der Wissenschaftler zeigen, lassen sich strukturelle Momentaufnahmen der Moleküle ganz ohne Artefakte abbilden – trotz hoher Intensität des Röntgenlasers.


Die untersuchte Schalteinheit besitzt die Form von Nanoröhrchen, die durch fettsäureähnliche Komponenten aufgebaut ist. Bild: Techert / Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Die Lichtblitze des 260 Meter langen Freie-Elektronen-Lasers (FEL) am Deutschen Elektronensynchrotron sind nicht nur leistungsstark, sondern auch ultrakurz: Die kürzeste erreichte Wellenlänge ist gerade einmal sieben Nanometer (millionstel Millimeter). Ultrakurz ist auch die Dauer der Strahlungspulse, die zehn bis 50 Femtosekunden (billiardstel Sekunden) beträgt. Wie Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für biophysikalische Chemie, für medizinische Forschung und für Kernphysik sowie des Deutschen Elektronen-Synchrotrons, der Universität Göttingen und des European XFELs zeigen, lassen sich damit ultraschnell Strukturen von Molekülen aufnehmen.

Gewöhnlich entschlüsseln Forscher die Strukturen von Molekülen, indem sie daraus Kristalle züchten und diese mit Röntgenlicht durchleuchten – eine mitunter langwierige und nicht immer erfolgsgekrönte Prozedur. Nicht alle Moleküle lassen sich kristallisieren – schon gar nicht in den benötigten Mengen. Auch die Zeitauflösung solcher Experimente ist sehr begrenzt. Langsame Transportphänomene in Festkörpern oder biologische Prozesse ließen sich bisher nur fragmentarisch aufnehmen.

Stop and go – die Struktur molekularer Schalter in Echtzeit “filmen”

Strukturen extrem schnell schaltbarer Nanokristalle mit ultraschnellen Freie-Elektronen-Laser-Pulsen aufzunehmen, gelang jetzt dem Wissenschaftlerteam um Simone Techert, Leiterin der Forschungsgruppe „Strukturdynamik (bio)chemischer Systeme“ am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie.

Wissenschaftler erhoffen sich von molekularen Schaltern unter anderem ein wirksames Werkzeug, um chemische und biochemische Prozesse gezielt steuern und regulieren zu können. Neben ihrer Anwendung in der Optoelektronik könnten molekulare Schalter auch in der Molekularmedizin Einsatz finden. „Mittels Röntgenlaser könnte man beispielsweise einen „Live-Mitschnitt“ vom Wirkprozess eines medizinischen Wirkstoffs mit seinem molekularen Partner aufnehmen“, erklärt die Chemikerin Techert.

Doch die Stärke des Freie-Elektronen-Lasers ist zugleich seine Schwäche. Denn die hoch ionisierende Röntgenstrahlung kann zu Strahlenschäden führen; Messartefakte wären die Folge. Dass sich gefürchtete Artefakte vermeiden lassen, zeigen die Ergebnisse der Forscher eindrucksvoll. „Mit einer Pulslänge von 20 Femtosekunden sind die Aufnahmen „im Kasten“, bevor der Zerstörungsprozess der Moleküle durch die weichen Röntgenstrahlen einsetzt“, erklärt Techert. Die Arbeiten wurden durch die Advanced Study Group der Max-Planck-Gesellschaft sowie den SFB 602 („Complex structures in condensed matter from atomic to mesoscopic scales“) und den SFB 755 („Nanoscale photonic imaging“) der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Durch die hohe Intensität der FEL-Strahlung ließen sich selbst kleinste Mengen eines Molekülkristalls untersuchen. Mit Freie-Elektronen-Lasern könnten so Strukturinformationen auch aus Nano-Teilchen beziehungsweise Nano-Kristallen gewonnen werden, die sich momentan herkömmlichen Strukturbestimmungsmethoden mit Röntgenstrahlung verweigern. „Mit härterer Röntgenstrahlung der Wellenlänge von weniger als einem Nanometer könnte es zukünftig möglich sein, chemische Strukturen in kristallografischer Manier im Angstrom-Bereich zu bestimmen. Bis zu welcher strukturellen Auflösung dies möglich sein wird, bleibt mit Spannung zu erwarten“, so Max-Planck-Forscherin Techert. Die Ergebnisse der Forscher lassen hoffen, dass Freie-Elektronen-Laser künftig Einsatz finden könnten, um kleine Strukturänderungen molekularer Wirkstoffe oder Proteine „live“ in Aktion zu filmen.

Originalveröffentlichungen:
[1] I. Rajkovic, W. Quevedo, G. Busse, J. Hallmann, R. Moré, M. Petri, F. Krasniqi, A. Rudenko, Th. Tschentscher, A. Foehlisch, A. Pietsch, M. Beye, N. Stojanovic, S. Düsterer, R. Treusch, M. Tolkiehn, S. Techert: Diffraction Properties of Periodic Lattices under Free Electron Laser Radiation. Phys. Rev. Lett. 104, 125503-125506 (2010).

[2] I. Rajkovic, J. Hallmann, S. Grübel, R. More, W. Quevedo, M. Petri, S. Techert: Development of a Multipurpose Vacuum Chamber for Serial Optical and Diffraction Experiments with Free Electron Laser Radiation. Rev. Sci. Instr. 81, 045105-1-6 (2010).

Kontakt:
Dr. Simone Techert, Forschungsgruppe Strukturdynamik (bio)chemischer Systeme
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 201-1268
Fax: +49 551 201-1501
E-Mail: stecher@gwdg.de
Dr. Carmen Rotte, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 201-1304
Fax: +49 551 201-1151
Email: crotte@gwdg.de

Dr. Carmen Rotte | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.gwdg.de
http://www.mpibpc.mpg.de/research/ags/techert/index.html
http://www.mpibpc.mpg.de/groups/pr/PR/2010/10_15/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

nachricht Neues Werkzeug für gezielten Proteinabbau
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte