Moleküle in Echtzeit – wie Wasserstoffbrücken Struktur und Funktion bestimmen

Thomas Elsässer ist einer der international führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Erforschung ultraschneller Prozesse in kondensierter Materie. Sein Projekt dient der Aufklärung molekularer Strukturänderungen auf der Längenskala einer chemischen Bindung und auf der ultrakurzen Zeitskala molekularer Bewegungen. Es schlägt damit eine Brücke zwischen Physik, Chemie und Biologie. Die „ERC Advanced Grants“ werden für herausragende Forschungsprojekte renommierter Wissenschaftler aus ganz Europa vergeben und sind heiß begehrt.

Wasserstoffbrücken sind als schwache chemische Bindungen eine der fundamentalen Wechselwirkungen in der Natur. Sie bestimmen einerseits die Struktur biologischer Moleküle, etwa der Desoxyribonukleinsäure (DNS), des Trägers der genetischen Information in der Zelle. Andererseits unterliegen Wasserstoffbrücken auf Grund ihrer geringen Bindungsstärke Fluktuationen, die beispielsweise in Wasser zu extrem schnellen Veränderungen in der Anordnung der Wassermoleküle führen. Dabei werden Wasserstoffbrücken immer wieder gebrochen und neu geformt. Trotz intensiver Forschung ist die strukturelle Dynamik von Wasserstoffbrücken, die wesentlich im Femtosekundenbereich abläuft (1 Femtosekunde = 10hoch-15 s = 1 Millionstel einer Milliardstel Sekunde), erst in Ansätzen bekannt.

Im Rahmen des ausgezeichneten Projekts werden neuartige Methoden der Ultrakurzzeitoptik vom Infrarot- bis zum Röntgenbereich für die Untersuchung von Wasserstoffbrücken eingesetzt. Ziel ist die Bestimmung molekularer Strukturen in Echtzeit, das heißt molekulare Prozesse werden mit ultrakurzen Lichtimpulsen ausgelöst und verfolgt. Mit Röntgenimpulsen, deren Wellenlänge ungefähr der Länge einer chemischen Bindung entspricht, lässt sich dabei direkt eine Abfolge von „Schnappschüssen“ der Molekülstrukturen aufnehmen. Infrarotimpulse geben Einblick in lokale Bewegungen und Kopplungen molekularer Gruppen.

In den Experimenten wird die Wechselwirkung von DNS-Molekülen mit ihrer wässrigen Umgebung untersucht, das heißt die Kopplung von Wassermolekülen an verschiedene Einheiten der DNS-Doppelhelixstruktur, die Fluktuationen der Wasserhülle um die DNS und die Rolle des Wassers für die Umverteilung und den Transport von Energie aus der DNS in ihre Umgebung. Da Wasserstoffbrücken bei nahezu allen biochemischen Reaktionen eine wichtige Rolle spielen, kommt den Ergebnissen eine universale Bedeutung zu.

In einem weiteren Projektteil werden in wasserstoffverbrückten molekularen Kristallen Strukturen bestimmt, die durch die Umverteilung von Ladungen und den Transport von Protonen entstehen. Diese elementaren chemischen Prozesse sind entscheidend für die elektrischen Eigenschaften der Kristalle, die als Ferroelektrika Anwendungspotenzial für neuartige elektronische Bauelemente besitzen.

Kontakt:
Prof. Thomas Elsässer, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Tel.: 030 6392 1401, elsaesser@mbi-berlin.de