Ein ganz besonderes Molekül
MBI-Forschende untersuchen die ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser
Am Max-Born-Institut nehmen Wissenschaftler:innen die ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser unter die Lupe: Mit extremer Zeitauflösung erforschen sie fundamentale physikalische und biophysikalische Prozesse.
Ohne Wasser kein Leben. Kein anderes Molekül vereinigt so viele faszinierende Eigenschaften in sich und ermöglicht dadurch überhaupt erst eine komplexe Biochemie. Es ist deshalb kein Zufall, dass nicht nur Menschen und andere irdische Lebewesen zu einem guten Teil aus Wasser bestehen. Auch in der Astrophysik ist Wasser ein begehrtes Ziel: Mit den modernsten Teleskopen wird Ausschau nach wasserhaltigen Planeten in fernen Sternensystemen gehalten, weil höchstwahrscheinlich nur dort Chancen bestehen, Lebensformen zu finden.
Dabei bestehen über die elementaren Wechselwirkungen zwischen Wasser und Biomolekülen noch viele Unklarheiten. „Das Verhalten von reinem Wasser ist mittlerweile gut erforscht, auch dank der Arbeit unserer Forschungsgruppen“, sagt Thomas Elsässer, Direktor am Berliner Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI). „Aber bei biologischen Strukturen und Prozessen kommen neue molekulare Wechselwirkungen ins Spiel.“ Diese werden zwar schon seit vielen Jahren in der Biologie erforscht. Aber die meisten Methoden erfassen nur zeitlich gemittelte Eigenschaften. Die ultraschnelle Dynamik, die sich dahinter versteckt, wird dabei nicht sichtbar. Genau diese Prozesse wollen die Expert:innen am Max-Born-Institut nun sicht bar machen und nutzen dazu modernste Lasertechnik. Damit lassen sich extrem kurze Prozesse anstoßen und analysieren.
Denn selbst in vermeintlich stillem Wasser herrscht eine unglaubliche Dynamik: Ständig wuseln die Wassermoleküle hin und her, sie rotieren und schwingen dabei. Dazu kommt ein wichtiger Faktor, der Wasser so besonders macht: Zwischen den beiden Wasserstoffatomen und dem Sauerstoffatom im H2O herrscht ein starkes elektrisches Feld. Wassermoleküle sind deshalb enorm starke elektrische Dipole – sozusagen winzige elektrische (und nicht magnetische) Stabmagneten. Sie halten zwar über die sogenannte Wasserstoff-Brückenbindung zusammen, bleiben aber nicht aneinander „kleben“, sondern bewegen sich in blitzschnellem Takt von billionstel Sekunden hin und her.
„Wie unsere früheren Experimente belegt haben, führt das dazu, dass in Wasser keine Informationen länger als einige billionstel Sekunden gespeichert bleiben können“, erklärt Elsässer. Insbesondere verbleibt in Wasser auch kein Abdruck der Moleküle, die einmal in ihm geschwommen sind.
Genau solche blitzschnellen Prozesse untersuchen die Wissenschaftler:innen jetzt auch bei der Wechselwirkung von Wasser mit biologischen Molekülen wie RNA oder Proteinen. Biologische Moleküle haben ebenfalls oft elektrisch geladene Bereiche, an die dann – unter Beteiligung von Wasser – Ionen andocken können, durch die die Struktur des Biomoleküls stabilisiert wird. Aber bislang ist weitgehend unbekannt, wie genau so etwas vor sich geht und wie man dies etwa bei der Entwicklung von Medikamenten nutzbar machen könnte. Zur Analyse nutzen die Forschenden modernste Verfahren wie die 2D-Schwingungsspektroskopie, mit der man gekoppelte Bewegungen in Molekülen und ihrer Umgebung spezifisch sichtbar machen kann.
„Im Augenblick ist das alles noch reine biophysikalische Grundlagenforschung“, so Elsässer. „Aber wenn man versteht, wie molekulare Prozesse und Wechselwirkungen auf extrem schnellen Zeitskalen funktionieren, dann wird es künftig anhand solcher Erkenntnisse vielleicht möglich werden, Wirkstoffe gezielt zu manipulieren.“ Klar ist jedenfalls: Um solche Prozesse zu untersuchen, benötigt man sowohl extrem schnelle als auch leistungsstarke Laserpulse. Das ist eine Domäne des Max-Born-Instituts – und deshalb dürfen wir gespannt sein, welche Erkenntnisse die Lasertechnik den Molekülen des Lebens noch entlocken wird.
Dr. Dirk Eidemüller für Adlershof Journal