Forscher lassen molekulare Fußbälle explodieren
Experiment liefert wichtigen Meilenstein für die Untersuchung komplexer Biomoleküle
Mit intensiven Röntgenlaserblitzen hat ein internationales Forscherteam die Explosion winziger Fußballmoleküle analysiert. Diese sogenannten Buckminsterfullerene, auch kurz als Buckyballs bezeichnet, bestehen aus 60 in Fußballform angeordneten Kohlenstoffatomen. Das Experiment, in dem die Buckyballs in weniger als 100 Femtosekunden (billiardstel Sekunden) auseinanderbrachen, belegt, dass die Explosion der Fullerene in einer vorhersagbaren Art und Weise abläuft, wie das Team um Prof. Nora Berrah von der Universität von Connecticut und DESY-Forscher Prof. Robin Santra vom Center for Free-Electron Laser Science CFEL im Fachjournal „Nature Communications“ beschreiben.
Künstlerische Darstellung eines Buckyballs im Röntgenlaserblitz.
Illustration: Greg Stewart/SLAC
Das ist ein wichtiger Meilenstein für die Untersuchung individueller, komplexer Biomoleküle mit sogenannten Freie-Elektronen-Röntgenlasern. Biomoleküle brechen bei solchen Untersuchungen ebenfalls auseinander. „Uns hat sehr beeindruckt, dass sich ein derart kurzer und dynamischer Prozess so überraschend detailliert mit Hilfe klassischer Methoden beschreiben lässt, wenn man einen Schuss Quantenmechanik hinzufügt“, sagt Santra, der auch Professor an der Universität Hamburg und Mitglied des Hamburger Centre for Ultrafast Imaging CUI ist. „Wenn man die Struktur individueller Biomoleküle untersucht, ist es sehr wichtig, diesen Prozess simulieren zu können, damit man eine Vorstellung davon bekommt, was im Experiment vor sich geht“, betont Berrah.
Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) sind neuartige Anlagen, die ultrakurze und superhelle Röntgenblitze mit Hilfe energiereicher Elektronen aus einem starken Teilchenbeschleuniger erzeugen. Forscher können diese Blitze nutzen, um die Struktur komplexer Verbindungen in der Welt der Moleküle und Atome zu erkunden. Die Struktur beispielsweise eines Biomoleküls verrät etwas über seine Funktion und ermöglicht unter anderem die Entwicklung neuer, maßgeschneiderter Medikamente.
Normalerweise nutzen Forscher für solche Untersuchungen mit XFELs winzige Nanokristalle aus Proteinen. Das hat verschiedene Vorteile, unter anderem produzieren Kristalle im Röntgenlicht ein stärkeres Signal als individuelle Moleküle. Zahlreiche Biomoleküle lassen sich jedoch nur sehr widerwillig in Kristallform zwingen und kommen in der Natur überhaupt nicht als Kristall vor. Daher möchten Forscher die Möglichkeit haben, auch individuelle, nicht kristallisierte Biomoleküle zu untersuchen.
Die Struktur eines Moleküls lässt sich aus der charakteristischen Art und Weise berechnen, wie seine Elektronen das Röntgenlicht streuen. Allerdings absorbieren die Elektronen durch den photoelektrischen Effekt eine große Menge an Röntgenenergie und ändern dadurch umgehend ihre Konfiguration. Das führt wiederum zu einer veränderten Streuung des verbleibenden Röntgenlichts. Dieses Problem lässt sich nicht durch kürzere Belichtungszeiten umgehen, da bei jedem Röntgenblitz die Absorptionsrate stets höher ist als die Streurate.
Um diesen Prozess zu beobachten, nutzten die Forscher den derzeit weltweit stärksten Röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) am US-Forschungszentrum SLAC und beschossen mit ihm die Buckyballs als gut bekanntes, moderat komplexes Testsystem. Die C60-Moleküle haben die regelmäßige Form eines Fußballs, sind jedoch weniger als ein Nanometer (millionstel Millimeter) groß. „Die hellen Röntgenblitze schlagen eine große Zahl von Elektronen aus den Molekülen, so dass seine Atome stärker und stärker positiv geladen werden und die elektrische Abstoßung das Molekül schließlich explodieren lässt“, beschreibt Berrah.
Die Wissenschaftler zeichneten die Explosionstrümmer auf und verglichen dies mit einer von DESY-Wissenschaftler Dr. Zoltan Jurek entwickelten Simulation. „Solche Simulationswerkzeuge wurden ursprünglich für Dinge wie Flüssigkeiten oder Polymere entwickelt, die sich im oder nahe am Gleichgewicht befinden, nicht für die hohen Energien und starken Kräfte, die wir hier haben“, erläutert Jurek. „Man hat vor etwa zehn Jahren damit begonnen, XFEL-induzierte Prozesse zu simulieren, aber niemand wusste, ob das wirklich funktionieren würde.“ Die Experimente an der LCLS liefern den ersten systematischen Test dieser Simulationen.
Um die Prozesse innerhalb der Atome mit einzubeziehen, ergänzten die Wissenschaftler ihre Simulation um etwas Quantenmechanik. Die Ergebnisse geben die Beobachtungen sehr gut wieder. „Wir waren überrascht, dass unsere Simulation sogar quantitativ korrekte Vorhersagen liefert“, sagt Santra. Die Simulation eröffnet damit einen Weg, die Veränderung der Elektronen-Konfiguration bei der Untersuchung komplexer Biomoleküle zu berücksichtigen. „Das hat sehr weitreichende Implikationen für die Untersuchung von Biomolekülen, da man in Einzelschuss-Experimenten immer die Elektronen-Konfiguration verändert. Unsere Technik kann dabei helfen, die Streubilder zu interpretieren und auf diese Weise die Qualität von Strukturuntersuchungen zu erhöhen.“
Zu dem Team gehören außer Forschern von DESY, der Universität von Connecticut und SLAC Wissenschaftler der Western Michigan University, der Universität Uppsala, der Universität Oxford, des Instituto di Metodologie Inorganiche e dei Plasmi in Rom, des Imperial College London, der Universität Turku, der University of Texas, des Synchrotrons SOLEIL in Frankreich und der Tohoku-Universität in Japan.
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