RUB-Forscher enttarnen Janus-Natur mechanischer Kräfte mit Jülicher Spitzenrechner

Je fester man zieht, desto schneller geht‘s. Das war eine bislang gültige Regel in der Mechanochemie, mit der Forscher chemische Reaktionen durch mechanische Kräfte in Gang setzen. Dass mehr Kraft sich aber nicht eins zu eins in eine umso schnellere Reaktion übersetzen lässt, berichten Chemiker um Prof. Dominik Marx vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum in der Zeitschrift „Nature Chemistry“.

Mit komplexen molekulardynamischen Simulationen am Jülicher Supercomputer „JUQUEEN“ enttarnten sie die Janus-Natur der Mechanochemie. Bis zu einer bestimmten Kraft steigt die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur Kraft an. Ist diese Schwelle überschritten, beschleunigen größere mechanische Kräfte die Reaktion wesentlich weniger.

Alte Sicht: Mechanische Kraft verringert Energiebarriere stetig

Um chemische Reaktionen in Gang zu bringen, muss zunächst eine Energiebarriere überwunden werden. Diese Energie können Forscher zum Beispiel in Form von mechanischen Kräften zuführen, die die beteiligten Moleküle „verbiegen“. Um gezielt mit einzelnen Molekülen zu experimentieren, binden sie zunächst zwei lange Polymerketten an das Molekül. An diesen ziehen sie entweder in einem Kraftmikroskop oder bestrahlen die Lösung mit Ultraschall.
Bislang nahm man an, dass sich die Energiebarriere stetig verringert, je mehr mechanische Energie man in das Molekül steckt. Diese Hypothese widerlegten die RUB-Chemiker nun. Schlüssel zum Erfolg war eine besonders aufwendige Form der Computersimulation, die sogenannte ab initio Molekulardynamik-Methode, die sie nur auf dem derzeit schnellsten Rechner Europas am Jülich Supercomputing Centre im Rahmen eines „Gauss Large Scale“-Projekts stemmen konnten.

Neue Sicht: Mehr Kraft bringt deutlich weniger Effekt

Das RUB-Team betrachtete ein kleines Molekül mit einer Disulfidbrücke, also zwei aneinander gebundenen Schwefelatomen, als Modell im „virtuellen Labor“ auf dem Computer. „Dieses Molekül repräsentiert – extrem vereinfacht – das entsprechende chemisch reaktive Zentrum in Proteinen“, sagt Dominik Marx. Im Verlauf der Reaktion wird die Schwefelbrücke gespalten. Das geht umso schneller, je stärker die Chemiker an dem Molekül ziehen, also je mehr sie das Molekülgerüst verbiegen – aber nur bis zu einer mechanischen Kraft von circa 0,5 Nanonewton. Kräfte über etwa 0,5 Nanonewton beschleunigen die Reaktion deutlich weniger als Kräfte unterhalb dieses Schwellenwerts.

Gestresste Moleküle: Zu viel mechanische Kraft erzeugt ungünstige räumliche Struktur

Das Bochumer Team erklärte den Effekt anhand der relativen Position der einzelnen Molekülbausteine zueinander. Während der Reaktion greift ein negativ geladenes Hydroxidion (OH-) aus dem umgebenden Wasser die Schwefelbrücke des virtuellen Proteins an. Bei Kräften über circa 0,5 Nanonewton ist das Protein jedoch bereits so stark „verbogen“, dass das Hydroxidion die Schwefelbrücke nicht mehr problemlos erreichen kann. Das Anlegen der Kraft blockiert also den Zugang, was die Energiebarriere für die Reaktion erhöht. Diese kann nur durch eine umso größere mechanische Kraft wieder erniedrigt werden. Im nächsten Schritt untersuchten die Forscher den Blockademechanismus an komplexeren Modellen, unter anderem einem großen Proteinfragment, ähnlich wie im Experiment. „Der Janus-Mechanismus erklärt bislang unverstandene und kontrovers diskutierte Ergebnisse aus kraftspektroskopischen Messungen am Protein Titin, das in Muskeln vorkommt“, sagt Professor Marx.
Rolle des Lösungsmittels entscheidend für erfolgreiche Simulation

„Weltweit haben sich schon mehrere Theoriegruppen bemüht, dieses experimentell beobachtete Phänomen zu erklären“, so Marx. „Entscheidend war es, die Rolle des Lösungsmittels, also des Wassers, korrekt mit einzubeziehen.“ Das Hydroxidion, das die Schwefelbrücke angreift, ist von einer Hülle aus Wassermolekülen umgeben, die sich im Lauf des Angriffs auf komplexe Weise verändert. Nur wenn diese sogenannten Umsolvatationseffekte während der Reaktion in der Simulation berücksichtigt werden, lassen sich die experimentell beobachteten Effekte virtuell nachstellen. Üblicherweise greifen Theoretiker jedoch auf Methoden zurück, die die Effekte des umgebenden Wassers drastisch vereinfachen (Mikrosolvatation und Kontinuumssolvatation), um die benötigte Rechenleistung zu reduzieren.

Förderung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) förderte die Studie durch das bislang einzige in der Chemie angesiedelte „Reinhart Koselleck“-Projekt. Zudem unterstützt der Exzellenzcluster „Ruhr Explores Solvation“ (RESOLV, EXC 1069) diese Untersuchungen, seit ihn die DFG 2012 bewilligte. Das Projekt war nur möglich durch die Rechenzeit auf dem IBM Blue Gene/Q-Parallelrechner JUQUEEN am Jülich Supercomputing Centre. Das Gauss Centre for Supercomputing (GCS) stellte einen Großteil der insgesamt benötigten Rechenzeit im Rahmen eines „GCS Large Scale“-Projekts zur Verfügung.

Titelaufnahme

P. Dopieralski, J. Ribas-Arino, P. Anjukandi, M. Krupicka, J. Kiss, D. Marx (2013): The Janus-faced role of external forces in mechanochemical disulfide bond cleavage, Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.1676

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-28083, E-Mail: dominik.marx@rub.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler