Thomas Elsässer erhält zum zweiten Mal ERC Advanced Grant: Projekt „Elektrische Wechselwirkungen und ultraschnelle strukturelle Dynamik von Biomolekülen'

28. März 2019

Thomas Elsässer erhält zum zweiten Mal ERC Advanced Grant

Projekt „Elektrische Wechselwirkungen und ultraschnelle strukturelle Dynamik von Biomolekülen“

Prof. Dr. Thomas Elsässer | Foto: Ralf Günther, MBI

Prof. Dr. Thomas Elsässer | Foto: Ralf Günther, MBI

Thema des ausgezeichneten Grundlagenprojekts sind dynamische elektrische Wechselwirkungen von DNA und RNA mit Wassermolekülen und Ionen in ihrer Umgebung. Der ERC Advanced Grant stellt für 5 Jahre Fördermittel von bis zu  2,5 Mio. Euro bereit und wird an Spitzenforscher in Europa für bahnbrechende Hochrisiko-Projekte vergeben.

Biologische Makromoleküle befinden sich in einer Umgebung aus Wassermolekülen und eingebetteten Ionen, deren Struktur auf unterschiedlichsten Zeitskalen fluktuiert. Die Dipolmomente der Wassermoleküle und die geladenen Ionen üben elektrische Kräfte auf  Biomoleküle aus und beeinflussen so deren Struktur und biologische Funktion. Das Verständnis dieser Wechselwirkungen auf molekularer Ebene stellt eine große wissenschaftliche Herausforderung dar; gegenwärtig sind die Stärke und Reichweite elektrischer Kopplungen und ihr Wechselspiel mit anderen Kopplungsformen kaum bekannt.

Das ausgezeichnete Projekt BIOVIB beruht auf dem neuen Konzept eines direkten zeitaufgelösten Nachweises molekularer elektrischer Kräfte auf sub-Nanometer-Längenskalen und bei den genuinen Fluktuationsfrequenzen im Terahertzbereich (1 Terahertz (THz) = 1012 Hz = 1012 Oszillationen pro Sekunde). Schwingungsanregungen von DNA und RNA an der Grenzfläche zur Wasserumgebung dienen dabei als empfindliche nichtinvasive Sonden. Ihre Reaktion auf elektrische Kräfte wird durch multidimensionale Schwingungsspektroskopie im Femtosekundenbereich verfolgt (1 Femtosekunde (fs) = 10-15 s), wodurch sich elektrische Kräfte auf spezifische molekulare Gruppen erfassen lassen. Die Stärke der elektrischen Wechselwirkungen wird durch Eichexperimente mit starken externen THz-Feldern bestimmt.

Experimente und theoretische Analysen werden sich auf prototypische RNA- und DNA-Strukturen konzentrieren, die bei unterschiedlichem Wasser- und Ionengehalt der Umgebung untersucht werden. Zur Charakterisierung der zeitlich gemittelten Gleichgewichtsstrukturen sind Röntgenstreuexperimente geplant. Als fundamentale offene Fragestellung wird der Einfluss von Ionen, insbesondere Magnesiumionen, auf Struktur und Faltungsprozesse von DNA/RNA Einzel- und Doppelsträngen untersucht. Der Einfluss von Ionen an der biomolekularen Oberfläche soll dynamisch von demjenigen entfernter Ionen getrennt werden um Mechanismen der Stabilisierung von Sekundär- und Tertiärstrukturen der RNA aufzuklären. Der Forschungsansatz des Projekts besitzt Potenzial für weitere wichtige biomolekulare Strukturen, etwa Wasser- und Ionenkanäle in Zellmembranen.

Thomas Elsässer ist Direktor am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie und Professor für Experimentalphysik an der Humboldt-Universität zu Berlin. Gegenstand seiner Forschungsarbeiten sind ultraschnelle Prozesse in kondensierter Materie, d.h. Flüssigkeiten, biomolekularen Systemen und kristallinen Materialien. In seinen Experimenten kombiniert er Methoden der Ultrakurzzeitspektroskopie und der zeitaufgelösten Röntgen-Strukturforschung. Er nimmt eine international führende Stellung in der Ultrakurzzeitphysik ein und wurde mit zahlreichen wissenschaftlichen Preisen ausgezeichnet. Im Jahr 2009 erhielt er einen ersten ERC Advanced Grant.

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas Elsässer
Direktor Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
E-Mail: elsasser@mbi-berlin.de
Tel.: +49 30 6392-1400
www.mbi-berlin.de

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