Der THz-Tanz des Wassers

Experimentelle Möglichkeiten der THz-Spektroskopie

  • Abb. 1: Der THz-Tanz des Wassers: Im flüssigem Wasser kommt es im Durchschnitt jede Pikosekunde einmal zum Aufbrechen von H-Brücken, die nachfolgend erneut geschlossen werden.Abb. 1: Der THz-Tanz des Wassers: Im flüssigem Wasser kommt es im Durchschnitt jede Pikosekunde einmal zum Aufbrechen von H-Brücken, die nachfolgend erneut geschlossen werden.
  • Abb. 1: Der THz-Tanz des Wassers: Im flüssigem Wasser kommt es im Durchschnitt jede Pikosekunde einmal zum Aufbrechen von H-Brücken, die nachfolgend erneut geschlossen werden.
  • Abb. 2: Für den jeweiligen Frequenzbereich charakteristischen Molekülanregungen. Im THz-Bereich finden sich großamplitudige Proteinbewegungen, wie. z. B. Gerüstschwingungen oder eine Verdrillung der Helix. MW: Mikrowellen; THz: Terahertz; IR: Infrarotbereich; UV/VIS: Ultraviolett-/sichtbarer Bereich; X-Ray: Röntgenstrahlen.
  • Abb. 3: Spektraler Fingerabdruck zweier optisch ähnlicher aber pharmazeutisch unterschiedlicher in Blistern (Blister Center Aschaffenburg) verpackter Medikamente.
  • Abb. 3: Spektraler Fingerabdruck zweier optisch ähnlicher aber pharmazeutisch unterschiedlicher in Blistern (Blister Center Aschaffenburg) verpackter Medikamente.
  • v.l.n.r.: Dr. med. Jens Soetebier, Geschäftsführer ACC-Terahertz, Prof. Dr. rer. nat. Martina Hanevith, Lehrstuhl für Physikalische Chemie II, Ruhr-Universität Bochum, © fhoch3 fotodesign

Die THz-Spektroskopie ist eine neue experimentelle Methode um Änderungen der Wassernetzwerkdynamik an Molekül-Wasser-Grenzflächen zu detektieren, Fehlstellen in Kunststoffen zu erkennen und Substanzen zu identifizieren.

Fast alles Leben findet im Wasser statt. Lösungsmittel - mit Wasser als prominentestem Beispiel - „solvatisieren" molekulare Spezies, vom einfachen Reagenz bis zum Protein, und bringen diese so in die flüssige Phase. In den Lebenswissenschaften ist Wasser das allgegenwärtige Lösungsmittel, der „Stoff des Lebens". Neuere Simulationsstudien deuten darauf hin, dass Wasser nicht nur ein passiver Zuschauer bei biologischen Prozessen, sondern ein aktiver Mitspieler ist. Die flexible Struktur des Wassers erlaubt es, dass biologische Makromoleküle im Wasser ihre Struktur leicht ändern können. Die Aggregation von Proteinen wird durch ein subtiles Wechselspiel zwischen hydrophilen und hydrophoben Wechselwirkungen kontrolliert. Wasser an Proteingrenzflächen (Wasser in der Hydrathülle) trägt zu einer thermodynamischen Stabilisierung der Strukturen, zur dynamischen Umstrukturierung bei der Proteinfaltung sowie zur molekularen Erkennung bei. Mithilfe der THz-Spektroskopie gelingt es, selbst kleinste Änderungen in der Wassernetzwerkdynamik durch das Einbringen von Proteinen oder anderen gelösten Stoffen, insbesondere an der Biomolekül-Wasser-Grenzfläche, zu vermessen. Im Wasser kommt es im Mittel in jeder Pikosekunde einmal zum Aufbrechen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen zwei Wassermolekülen und zur Neubildung mit anderen benachbarten Wassermolekülen (Abb. 1). Sie führen zu einer zeitlichen Änderung der Wasser-Dipolmomente auf der Subpikosekunden-und Pikosekunden-Zeitskala, die im Terahertz(THz)-Bereich nachgewiesen werden können (1 THz = 1012 Hz =1 ps-1). Damit öffnet die THz-Absorptionsspektroskopie die Sicht auf Änderungen in den schnellen, kollektiven Bewegungen des Wassernetzwerks die von darin gelösten Stoffen ausgelöst werden.

Anwendungen der THz-Spektroskopie

Während Wasser THz-Strahlung stark absorbiert, sind viele Materialien wie z. B.

Holz, Kunststoffe, Textilien, für THz-Strahlung transparent. Die THz-Spektroskopie ermöglicht damit neue industrielle Anwendungen, z. B. um Fremdkörper in Lebensmitteln zu erkennen, Fehlstellen in Kunststoffen zu identifizieren oder Stapel von Geldscheinen zu zählen, ohne dass diese ausgepackt werden müssen.

Im THz-Bereich können Stoffe anhand ihres spektralen Fingerabdruckes (Abb. 3) identifiziert werden. Vermutlich wird zukünftig auch die Unterscheidung bzw. Identifizierung vieler pharmazeutischer Produkte in Packungen berührungslos möglich sein (durch das Land NRW und die EU geförderte Projekte „Anticounterfeit / elicit drugs" und „TeraPharm SafeCam" der Ruhr-Universität Bochum in Kooperation mit Dr. Erich Henke, BlisterCenter Aschaffenburg und Dr. Stefan Hoffmann, photonIQ).

Die Technologie

Die Terahertz-Strahlung liegt im Frequenzbereich zwischen dem Mikrowellen- und dem Infrarotbereich (Abb. 3). Die THz-Spektroskopie konnte sich in den letzten Jahren aufgrund der Verfügbarkeit von neuen Strahlungsquellen rapide entwickeln, wie die wachsende Anzahl der Veröffentlichungen belegt [1, 2]. Da bisher leistungsstarke Strahlungsquellen fehlten, wurde das Spektralgebiet zwischen Mikrowellen und Infrarot auch als „THz-Lücke" bezeichnet. Dieser Frequenzbereich liegt oberhalb des Gebietes, in dem elektronische Geräte, die auf Elektronenbeschleunigung beruhen (z. B. Mikrowellengeneratoren), versagen, und energiemäßig unterhalb des Gebietes, das Diodenlaser abdecken können. Inzwischen gibt es zahlreiche Neuentwicklungen, die die Anwendungen vorangetrieben haben. Dazu zählen THz-time domain-Spektrometer, bei denen Pikosekunden-Terahertz-Pulse erzeugt werden können. Man verwendet dafür einen p-Ge-Laser, der leistungsstarke Laserstrahlung im Wattbereich sowie Synchrotonstrahlung zur Verfügung stellen kann [3]. An der Ruhr-Universität Bochum werden alle Techniken genutzt. Insbesondere mithilfe des leistungsstarken p-Ge-Lasers können, trotz der hohen Absorption des Wassers im THz-Bereich, solvatisierte Proteine untersucht werden.

Wie viele Wassermoleküle beeinflusst ein Protein in seiner Umgebung?

Die Packungsdichte von 400 mg pro ml Proteinen, Nukleinsäuren, Zuckern, Ionen oder anderen gelösten Teilchen in lebenden Zellen lässt nicht viel Raum zwischen den Molekülen und deren nächsten Nachbarn: Im Mittel sind dies 20-30 Å, je nach Molekülgröße. Hier liegen dann 10-15 Wasserlagen, die allerdings völlig andere Eigenschaften als normales Wasser haben. Dieses Wasser, welches in einem gewissen Abstand vom Protein veränderte Eigenschaften aufweist, wird als Hydrathülle bezeichnet.

Messungen mittels THz-Spektroskopie zeigten, dass die schnellen Reorientierungen der molekularen Dipole des Wassers sehr langreichweitig, nämlich über eine Distanz von 15-20 Å, von einem einzigen Protein verändert werden können [4]. Der Einfluss auf die kollektiven Wassernetzwerkschwingungen in der Umgebung verändert sich deutlich durch Mutationen oder durch Denaturierung [5, 6]. Interessanterweise beeinflusst jeweils der native Wildtyp eines Proteins die kollektiven Änderungen im Wassernetzwerk am effektivsten. Dies deutet auf eine besondere Rolle dieser Veränderung der Wassernetzwerkdynamik im Hinblick auf biologische Funktionen hin.

Langreichweitige Änderungen in der Wasserdynamik

Arktische Fische können Temperaturen von -1,9 °C überleben, obwohl ihr Blut bei -0,9 °C gefrieren sollte. Ermöglicht wird dies durch Frostschutzproteine (antifreeze proteins, AFP) im Blut, die eine Gefrierpunktabsenkung bedingen. Sie sind mehrere Größenordnungen effektiver als kommerzielle Gefrierschutzmittel. Während man bisher annahm, dass eine einzelne Bindungsstelle am Protein die Eiskristallisation verhindert, zeigte sich durch unsere Messungen, dass die Gefrierschutzaktivität eindeutig mit einer Änderung der kollektiven Wassernetzwerkdynamik korreliert. Die Änderung der Wasserdynamik wird bei abnehmender Temperatur langreichweitiger und somit effektiver. Die Messungen stellen einen direkten Zusammenhang zwischen der biologischen Funktion (Gefrierschutz) und der Beeinflussung der Wasserdynamik her [7, 8, 9].

Fazit

Zusammenfassend kann man sagen, dass die experimentellen Möglichkeiten der THz-Spektroskopie einen völlig neuen Blick auf die Protein-Wasserinteraktion ermöglichen. Die experimentellen Ergebnisse legen nahe, die Rolle des Wasser bei biologischen Prozessen neu zu definieren: Wasser ist nicht nur ein passives Lösungsmittel, sondern ein aktiver Mitspieler im Spiel des Lebens.

Danksagung

Diese Arbeiten wären nicht möglich gewesen ohne die Finanzierung im Rahmen des Human Frontier Science Programms (HFSP) und der VW-Stiftung. Sie wurden in Kooperation mit der Gruppe von Martin Gruebele, David Leitner und Irit Sagi erstellt. Die Messungen waren Teil zahlreicher Promotionsarbeiten. Besonders erwähnen möchten wir die abgeschlossenen Promotionen von S. Ebbinghaus, B. Born und M. Heyden. Das p-Ge-THz-Differenzspektrometer, das ultrapräzise Messungen der THz-Absorption erlaubt, wurde von E. Bründermann realisiert.

Literatur

[1] Schmuttenmaer CA: Chem Rev 104:1759-1779 (2004)

[2] Pickwell E und Wallace VP: J Phys D: Appl Phys 39:R301-R310 (2006)

[3] Tonouchi M Nat Photonics 1:97-105 (2007)

[4] Ebbinghaus S et al.: Proc Natl Acad Sci USA 104:20749-20752 (2007)

[5] Ebbinghaus S. et al.: J Am Chem Soc 130:2374-2375 (2008)

[6] Born B. et al.: Faraday Discuss 141:161-173; 175-207 (2009)

[7] Ebbinghaus S. et al.:  J Am Chem Soc 132:12210 (2010)

[8] Heyden M. et al.: Proc Natl Acad Sci USA 107:12068-12073 (2010)

[9] Heyden M. und Havenith M.: Methods 52:74-84 (2010)

 

 

 

 

 

 

 

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