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Zürich, 15.01.2018
Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, die effektive elektrische Ladung eines einzelnen Moleküls in einer wässrigen Umgebung präzise zu messen. Dieser Fortschritt könnte den Weg zu neuen diagnostischen Werkzeugen ebnen.
Die elektrische Ladung ist eine der Kerneigenschaften, mit denen Moleküle miteinander in Wechselwirkung treten. Viele biologische Prozesse beruhen auf Interaktionen von Molekülen wie Proteinen, bei denen die Ladung eine entscheidende Rolle spielt.
Allerdings lässt sich die Ladung eines Proteins in einer wässrigen Umgebung - das normale Umfeld in einem lebenden Organismus - mit herkömmlichen Ansätzen nicht genau bestimmen.
Wegen komplexer Wechselwirkungen mit den umgebenden Flüssigkeitsmolekülen kann sich die Ladung eines Moleküls beträchtlich verändern, je nachdem, ob es sich in Gasphase oder Lösung befindet. Die üblichen Gasphasemessungen erlauben daher keine direkten Schlüsse auf das Verhalten des Moleküls in seinem biologischen Umfeld.
Die Zürcher Professorin für Chemie, Madhavi Krishnan, hat nun eine Methode entwickelt, um die Ladung eines einzelnen Moleküls zu bestimmen. Ihr Vorgehen beschrieb die Forscherin in einer Reihe von Artikeln in den Fachzeitschriften "Nature Nanotechnology", "Physical Review E" und "Journal of Chemical Physics", wie der Schweizerische Nationalfonds (SNF) am Montag mitteilte.
"Wie Kinder beim Ballspiel"
Krishnan und die Doktorandin Francesca Ruggeri machten sich dazu ein Phänomen zu Nutzen, das als Brownsche Bewegung bekannt ist: Moleküle in Lösung sind ständig in Bewegung, da sie dauernd und rein zufällig zusammenstossen.
Die Forscherinnen fingen das Molekül in einem sogenannten Potentialtopf - eine anschauliche Bezeichnung für den Zustand eines Moleküls bei minimaler potentieller Energie. Durch die ständigen Zusammenstösse mit den hüpfenden Wassermolekülen droht dem Molekül dabei immerzu der Herauswurf aus dem Topf.
"Die Situation lässt sich mit Kindern vergleichen, die in einer Grube mit einem Ball spielen", erklärt Krishnan, die an der Universität Zürich im Rahmen einer SNF-Professur forscht. "Der Ball ist das untersuchte Proteinmolekül, die Kinder sind die Wassermoleküle. Der Ball müsste einen ziemlich heftigen Tritt erhalten, um aus der Grube zu fliegen."
Je höher die effektive Ladung des Moleküls, desto grösser ist die Tiefe des Potentialtopfs. Umso geringer ist folglich die Wahrscheinlichkeit, dass das Molekül aus dem Topf gestossen wird. Deshalb hängt die Zeit, bis das Molekül aus dem Topf fliegt, direkt mit der effektiven Ladung zusammen.
"Wenn wir wissen, wie lange ein Molekül im Topf gefangen bleibt, wissen wir auch, wie tief der Topf ist", so Krishnan. Da die Topftiefe wiederum direkt von der effektiven Ladung abhängt, kann dieser Wert genau bestimmt werden.
Gefangene Moleküle eingefärbt
Den Potentialtopf erzeugten die Wissenschaftlerinnen, indem sie eine Lösung mit dem Protein zwischen zwei Glasplatten quetschten. Eine davon enthielt mikroskopisch kleine Löcher. Die in den Potentialtöpfen gefangenen Moleküle wurden mit einem Fluoreszenzmittel markiert und liessen sich so mit einem optischen Mikroskop beobachten.
Die Entdeckung ist für die Grundlagenforschung interessant. Sie könnte aber auch den Weg für die Entwicklung neuartiger Diagnosegeräte ebnen, denn viele Krankheiten hängen auf molekularer Ebene damit zusammen, dass ein Protein aufgrund einer veränderten elektrischen Ladung nicht mehr einwandfrei arbeitet. Dies ist etwa bei Krankheiten wie Alzheimer oder Krebs der Fall, bei denen falsch gefaltete Proteine eine Rolle spielen.