Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Casting der Moleküle

04.04.2008
Berliner Wissenschaftler sortieren die Teilchen nach ihrer Struktur

Viele größere Moleküle haben etwas mit Puppen gemeinsam - ihre Glieder bewegen sich. Physiker des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin können Moleküle jetzt danach sortieren, in welche Richtung deren Ärmchen und Beinchen weisen. Diese Konformere - Moleküle mit verschiedenen Haltungen - lassen sich gewöhnlich kaum unterscheiden, und ohnehin zappeln die Glieder der Moleküle meistens heftig. Für Biomoleküle ist die Haltung jedoch wichtig: Sie können ihre Aufgaben nur erfüllen, wenn sie ihre Gliedmaßen richtig orientieren.


Die Haltung der Moleküle entscheidet, ob sie das Ende dieser offenen Röhre erreichen. Das elektrische Feld zwischen den vier Metallstäben wechselt ständig, sodass nur Konformere mit dem passenden Verhältnis aus Masse und Dipolmoment durch die offene Röhre gelangen. Bild: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

Schnappschüsse von Biomolekülen zu machen, ist eine knifflige Angelegenheit. Einigermaßen leicht haben es Biochemiker noch, wenn sie aus den Verbindungen Kristalle züchten können. Alternativ können sie künftig vielleicht Gasstrahlen dieser Moleküle erzeugen und durch ihre Messinstrumente schicken. Dann überlagern sich üblicherweise allerdings die Bilder der verschiedenen Konformere und die Forscher erhalten nur ein verschwommenes Bild der Teilchen.

"Wir haben jetzt einen Weg gefunden, die Konformere zu trennen, obwohl sie chemisch und physikalisch kaum auseinander zu halten sind", sagt Jochen Küpper, der die Wissenschaftlergruppe am Fritz-Haber-Institut leitet. Nur einen Unterschied gibt es häufiger: Die Konformere besitzen in vielen Fällen verschieden starke Dipole, die positiven und negativen Ladungen sind in den Molekülen also unterschiedlich verteilt. Deshalb spüren sie die Kraft eines elektrischen Feldes unterschiedlich stark. Und das nützen die Forscher aus.

"Unser Sieb für Konformere arbeitet wie ein Quadrupolmassenfilter", erklärt Frank Filsinger, der als Doktorand den größten Teil der Arbeiten vorgenommen hat. Mit einem Quadrupolmassenfilter werden in vielen Laboren Moleküle nach dem Verhältnis zwischen ihrer Masse und Ladung getrennt. Ganz ähnlich sortiert die Apparatur der Berliner Forscher die Teilchen - nur dass sie diese entsprechend ihrer Masse und ihrem Dipolmoment trennt. Mit dem Dipolmoment wird die Stärke eines Dipols gemessen.

Die Wissenschaftler haben ihre neue Methode an einem Aminophenol erprobt - und zwar an zwei Konformeren, in denen die Hydroxidgruppe des Moleküls unterschiedlich orientiert ist. Diese Gruppe besteht aus einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom und ist für Alkohole charakteristisch. Ihre unterschiedlichen Orientierungen im Aminophenol heißen cis- und trans-Stellung: In der cis-Version weist die Hydroxidgruppe zur einen Seite, in der trans-Variante genau zur anderen Seite des Moleküls. Aus diesem Grund ist das Dipolmoment des cis-Aminophenols etwa dreimal größer als das des trans-Pendants.

Um die beiden Konformere mit den verschiedenen Haltungen des Hydroxidärmchens zu trennen, haben die Forscher eine kleine Menge der Substanz verdampft und zu einem Molekülstrahl gebündelt. Der Strahl legt in der Apparatur der Berliner Forscher genau einen Meter zurück. Damit sich die cis- und trans-Versionen auf dieser Strecke trennen, legen Küpper und seine Mitarbeiter elektrische Felder an, die auf die Moleküle Kräfte ausüben: Sie gruppieren um den Molekularstrahl vier Elektroden - Metallstangen, die unter Spannung stehen und eine Art offene Röhre bilden. Durch diese Röhre saust der Strahl. An zwei Elektroden liegt eine Wechselspannung, die dafür sorgt, dass der positive und der negative Pol ständig hin und her springen. Entsprechend ändert sich die Richtung, in der die Kraft des elektrischen Feldes auf die Moleküle wirkt.

Entscheidend ist dabei die Frequenz des Wechselfelds, also wie schnell die Pole ihre Plätze tauschen. Verschiedene Dipole sprechen auf das Wechselfeld nämlich unterschiedlich gut an. Letztlich gelangen bei einer bestimmten Frequenz des Wechselfeldes nur Moleküle mit einem bestimmten Dipolmoment - genauer gesagt mit einem bestimmten Verhältnis zwischen ihrem Dipolmoment und ihrer Masse - ans Ende der Apparatur. Alle anderen treiben allmählich aus der Flugbahn des Strahls.

Auf diese Weise isolieren die Berliner Forscher um Frank Filsinger nicht nur ein bestimmtes Konformer. Sie können die Konformere sogar noch danach sortieren, wie stark sie rotieren. Das machen Moleküle ständig, aber nicht immer gleich schnell. Für die Stärke der Rotation gibt es ein Maß - die Rotationsquantenzahl. Die ist umso höher, je schneller sich das Molekül dreht. Dann wird allerdings auch der Dipol des Teilchens immer schwächer und das elektrische Feld wirkt schwächer auf das Molekül. "Wir sieben also auch die Moleküle in den niedrigsten Rotationsquantenzuständen heraus", sagt Küpper. Auf diese Weise lassen sich die Moleküle im Raum besonders gut ausrichten. So hoffen die Forscher, künftig alle Teilchen, deren Arme in dieselbe Richtung zeigen, auf die Beine stellen zu können.

"Unsere Methode ergänzt andere neuartige Experimente, wie etwa den Röntgenlaser, der derzeit in Hamburg entsteht." Dieser Röntgenlaser wird in besonders intensivem Licht strahlen, das ihn zu einem sehr empfindlichen Messinstrument macht. Viele Wissenschaftler hoffen daher, mit ihm einzelne Biomoleküle abbilden zu können - die dann natürlich auch nur als einzelnes Konformer vorliegen. In den Aufnahmen des neuen Großgeräts würden sich die Darstellungen verschiedener Molekülhaltungen also nicht zu einem schemenhaften Bild verwischen.

"Wir gehen dagegen den umgekehrten Weg", erklärt Küpper. "Da wir die unterschiedlichen Konformere isolieren können und daher alle Moleküle in der Probe gleich aussehen, sind wir nicht darauf angewiesen, einzelne Moleküle zu untersuchen", sagt Küpper, "sondern könnten die Signalstärke durch die Beobachtung vieler gleich aussehender Moleküle unter Umständen entscheidend vergrößern.

Bislang können er und seine Mitarbeiter mit dem Molekülsieb nur relativ kleine Teilchen trennen. Die Konformere größerer Moleküle zu sortieren, ist aber kein prinzipielles Problem, sondern ein praktisches. "Die Trennnung würde funktionieren", so Küpper, "sehr große ungeladene Moleküle lassen sich bislang jedoch einfach noch nicht zu einem gasförmigen Strahl bündeln." Daran arbeiten weltweit viele Wissenschaftler - auch die Physiker vom Fritz-Haber-Institut.

Originalveröffentlichung:

Frank Filsinger, Undine Erlekam, Gert von Helden, Jochen Küpper, and Gerard Meijer; Selector for structural isomers of neutral molecules

Physical Review Letters 100, 133003 (2008)

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Biomolekül Dipolmoment Molekül Teilchen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise