Ultraschneller Energietransfer innerhalb eines Wassertropfens

Die Forschung der letzten Jahre zeigt, dass nicht nur von außen auf biologisches Gewebe auftreffende Strahlung wie Röntgenstrahlung zu Schäden führen kann. Das Erbmolekül DNA lässt sich auch leicht durch niederenergetische Elektronen aufbrechen, die im Körper erst infolge der Bestrahlung entstehen.

Der Physiker Dr. Till Jahnke von der Goethe Universität hat am Berliner Elektronenspeicherring für Synchrotronstrahlung BESSY einen neuen Prozess entdeckt, bei dem solche Elektronen frei werden, wenn hoch energetische Strahlung im Körper auf Wasser trifft. Bei der Beurteilung von Strahlenschäden, aber auch der Dosierung von Strahlentherapien für Tumoren, könnte die Einbeziehung dieses Effekts künftig zu präziseren Einschätzungen führen. Für seine Arbeiten wurde Till Jahnke kürzlich mit dem mit 10.000 Euro dotierten Röntgenpreis der Justus Liebig Universität Gießen ausgezeichnet.

Ein erwachsener Mensch besteht zu 60 Prozent aus Wasser. Wird das Molekül aus einem Sauerstoff und zwei Wasserstoff-Atomen von energiereicher Strahlung getroffen, bricht es normalerweise auseinander und bildet mit einem benachbarten Wassermolekül ein positiv geladenes Hydronium-Ion, während ein negativ geladenes Hydroxid-Ion zurückbleibt. Der von Jahnke und seinen Kollegen entdeckte Prozess ist jedoch so schnell, dass er sich abspielt, bevor es zu dieser neuen Konfiguration kommt. „In einem Wassertropfen kann ein niederenergetisches Elektron, das DNA-Brüche verursacht, prinzipiell durch Strahlung jeder beliebigen Energie erzeugt werden“, erklärt Jahnke die bio-medizinische Bedeutung seines Forschungsergebnisses, das in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Physics“ publiziert ist.

Bisher wurde der Prozess nur im Labor untersucht, und zwar an kleinsten Wassertropfen, die nur aus zwei Wassermolekülen bestehen. Mithilfe der hochenergetischen Synchroton-Strahlung des Berliner BESSY-Beschleunigers lösten die Physiker aus einer inneren Schale des einen Wassermoleküls ein Elektron heraus. Schnell sortierten sich die Elektronen um und füllten das Loch mit einem Elektron aus der äußeren Schale auf. Die dabei frei werdende Energie ging an das Nachbarmolekül und löste dort ein zweites Elektron heraus. Dieses Elektron hat typischerweise wenig Energie und kann Brüche in der DNA hervorrufen. „Dieser Prozess kann ebenso durch natürliche Strahlung ausgelöst werden“, sagt Jahnke.

Der als Interatomic Coulombic Decay (ICD) bezeichnete Prozess läuft innerhalb von 50 Femtosekunden ab. (Eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer milliardstel Sekunde.) In der Physik ist ein schneller Prozess gleichbedeutend mit einem sehr wahrscheinlichen, so dass ICD in Wasser vermutlich ein sehr allgemeines Phänomen darstellt. Eine Berlin-Garchinger Kollaboration hat die Existenz des Effekts in einer eigenen Messung bestätigt. ICD könnte einen relevanten Beitrag zu Strahlenschäden in biologischer Materie leisten. Das wäre auch für die Strahlentherapie von Bedeutung, denn die Behandlung von Tumoren lässt sich umso gezielter und schonender gestalten, je genauer die verwendeten Modelle die Realität abbilden.

Informationen: Dr. Till Jahnke, Institut für Kernphysik, Campus Riedberg, Tel: (069)798-47025, jahnke@atom.uni-frankfurt.de.

Prof. Dr. Reinhard Dörner, Institut für Kernphysik, Campus Riedberg, Tel: (069)798-47003, dörner@atom.uni-frankfurt.de.

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