Physikalische Chemie: Neu in Form gebracht
In der Welt der Moleküle kommt es auf die Feinheiten an. Ein winziger Umbau kann bereits die (bio)chemische Reaktionsfreude drastisch verändern. Mit einem neuen Mikrowellen-Spektrometer können solche Veränderungen nun verfolgt werden.
Es ist wie mit den Handschuhen – sie sind gleich, aber doch nicht gleich. Beim einen ist der Daumen links, beim anderen rechts. Ein kleiner Unterschied mit großen Folgen für die Bequemlichkeit beim Tragen. Sofern ein verkehrter Handschuh überhaupt auf die Hand passt. In der Biochemie klappt so ein verdrehter Versuch meist so gut wie gar nicht. Denn die Moleküle des Lebens sind sehr wählerisch, wenn ihnen verschiedene Varianten angeboten werden. Nur das genau passende räumliche Isomer einer Substanz kann in die reaktive Tasche schlüpfen und wird dort weiter verarbeitet. Was falsch gebaut ist, muss draußen bleiben, wird bestenfalls ausgeschieden oder bringt in schlimmen Fällen die Abläufe in den Zellen durcheinander.
Da die unbelebte Natur sich nicht immer um die Bedürfnisse der biologischen Chemie kümmert und die unterschiedlichen Isomere ineinander übergehen können, treten für gewöhnlich beide Varianten gemischt auf – was ein hartnäckiges Problem für die Wissenschaftler ist, deren Aufgabe darin besteht, sie wieder voneinander zu trennen. Kein Wunder also, dass Chemiker sehr daran interessiert sind, wie genau die Moleküle zwischen den möglichen Formen wechseln. Nur leider sind die Moleküle ungeheuer schnell im Formenwandeln.
Aber nicht schnell genug. Ausgerechnet eine verbesserte Version der einstmals notorisch langsamen Spektroskopie mit Mikrowellen ist nun so flink, dass sie die Konformationsänderung aufzeichnen kann. Alles, was dazu nötig ist, ist in den vergangenen Jahren in den Laboratorien der Hightech-Elektronik entwickelt worden. Beispielsweise Mikrowellengeneratoren, die schnell hintereinander Pulse mit einer Bandbreite von zehn Gigahertz aussenden können, was 10 000 Mal so viel ist, wie die Vorgänger schafften. Und Detektoren, die ein derartiges Sperrfeuer von Signalen aufzufangen vermögen.
Mit diesen elektronischen Neuheiten ausgestattet bauten Brooks Pate von der Purdue University und sein Team ein neuartiges Spektrometer auf, das sie chirped-pulse Fourier transform microwave spectrometer oder kurz CP-FTMW tauften und das trotz dieses Namens nach einem recht einfachen Grundprinzip arbeitet.
Ein breiter Puls von Mikrowellen trifft auf eine Probe, die gleichzeitig von einem Infrarotlaser angeblitzt wird. Durch die Energie des Lasers angeregt rotieren und vibrieren die Moleküle der Probe anders als im Grundzustand und wechseln sogar von einer Form in die andere. Jedes der dabei auftretenden Zwischenstadien verhält sich im Mikrowellenfeld leicht abweichend von der ruhigen Norm, was die Detektoren mit hoher Zeitauflösung registrieren. Eine anschließende – und reichlich verwickelte – mathematische Fourieranalyse des Spektralmusters verrät dann, was in der millionstel Sekunde der Messung abgelaufen ist.
Das war im Testlauf der neuen Methode zunächst einmal ein kleiner Isomerwechsel des Moleküls Cyclopropancarboxaldehyd, bei dem durch den Laserblitz eine CHO-Gruppe zwischen zwei Positionen hin und her gesprungen ist. Und zwar rund 16 Mal langsamer, als die Theorie vorhergesagt hat. Denn ganze 100-billionstel Sekunden ließ es sich Zeit – kein Problem für die neue Spektroskopiemethode.
Ob die ultraschnelle Langsamkeit der Moleküle am Frust lag, dass die Chemiker ihnen jetzt doch beim Verformen zusehen können? Oder sollte die Theorie des Übergangs zwischen den Isomeren etwa Lücken haben? Das Werkzeug ist da, um diese Fragen zu ergründen. Es dürfte also so manches in der physikalischen Chemie in Bewegung geraten – nicht nur in den Probekammern der Spektroskope.
Da die unbelebte Natur sich nicht immer um die Bedürfnisse der biologischen Chemie kümmert und die unterschiedlichen Isomere ineinander übergehen können, treten für gewöhnlich beide Varianten gemischt auf – was ein hartnäckiges Problem für die Wissenschaftler ist, deren Aufgabe darin besteht, sie wieder voneinander zu trennen. Kein Wunder also, dass Chemiker sehr daran interessiert sind, wie genau die Moleküle zwischen den möglichen Formen wechseln. Nur leider sind die Moleküle ungeheuer schnell im Formenwandeln.
Aber nicht schnell genug. Ausgerechnet eine verbesserte Version der einstmals notorisch langsamen Spektroskopie mit Mikrowellen ist nun so flink, dass sie die Konformationsänderung aufzeichnen kann. Alles, was dazu nötig ist, ist in den vergangenen Jahren in den Laboratorien der Hightech-Elektronik entwickelt worden. Beispielsweise Mikrowellengeneratoren, die schnell hintereinander Pulse mit einer Bandbreite von zehn Gigahertz aussenden können, was 10 000 Mal so viel ist, wie die Vorgänger schafften. Und Detektoren, die ein derartiges Sperrfeuer von Signalen aufzufangen vermögen.
Mit diesen elektronischen Neuheiten ausgestattet bauten Brooks Pate von der Purdue University und sein Team ein neuartiges Spektrometer auf, das sie chirped-pulse Fourier transform microwave spectrometer oder kurz CP-FTMW tauften und das trotz dieses Namens nach einem recht einfachen Grundprinzip arbeitet.
Ein breiter Puls von Mikrowellen trifft auf eine Probe, die gleichzeitig von einem Infrarotlaser angeblitzt wird. Durch die Energie des Lasers angeregt rotieren und vibrieren die Moleküle der Probe anders als im Grundzustand und wechseln sogar von einer Form in die andere. Jedes der dabei auftretenden Zwischenstadien verhält sich im Mikrowellenfeld leicht abweichend von der ruhigen Norm, was die Detektoren mit hoher Zeitauflösung registrieren. Eine anschließende – und reichlich verwickelte – mathematische Fourieranalyse des Spektralmusters verrät dann, was in der millionstel Sekunde der Messung abgelaufen ist.
Das war im Testlauf der neuen Methode zunächst einmal ein kleiner Isomerwechsel des Moleküls Cyclopropancarboxaldehyd, bei dem durch den Laserblitz eine CHO-Gruppe zwischen zwei Positionen hin und her gesprungen ist. Und zwar rund 16 Mal langsamer, als die Theorie vorhergesagt hat. Denn ganze 100-billionstel Sekunden ließ es sich Zeit – kein Problem für die neue Spektroskopiemethode.
Ob die ultraschnelle Langsamkeit der Moleküle am Frust lag, dass die Chemiker ihnen jetzt doch beim Verformen zusehen können? Oder sollte die Theorie des Übergangs zwischen den Isomeren etwa Lücken haben? Das Werkzeug ist da, um diese Fragen zu ergründen. Es dürfte also so manches in der physikalischen Chemie in Bewegung geraten – nicht nur in den Probekammern der Spektroskope.
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