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10. Dezember 2018

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Das trickreiche Blut

Das trickreiche Blut© piqs.de/laurence grayson

Moleküle wie Hämoglobin oder Chlorophyll sind schwer zu untersuchen. Um mehr zu lernen, forscht nun ein Team der TU Wien mit Kollegen aus Triest an künstlich erzeugten ähnlichen Stoffen.

Grundsätzlich transportiert Hämoglobin Sauerstoffmoleküle durch die menschlichen Blutbahnen und durch eine extrem komplexe Bauweise gelingt das entsprechend gut. Ähnliches gilt für Chlorophyll, das Sonnenlicht in Energie für Pflanzen umwandelt.
Um nun Anwendungen oder Wirkungen solcher komplexer Moleküle besser zu verstehen, dienen Untersuchungen ähnlicher aber einfacher zusammengsetzter Strukturen im Labor.
In einer Kooperation zwischen der TU Wien und Forschungsgruppen aus Triest wurden nun sogenannte Phthalocyanine untersucht, deren molekulare Ringstruktur den entscheidenden Abschnitten von Hämoglobin oder Chlorophyll stark ähnelt. Dabei zeigte sich, dass das Zentrum dieser Ringstrukturen mit Hilfe von grünem Licht in verschiedene Zustände geschaltet werden kann un damit ändert sich ihr chemisches Verhalten.
Das hilft beim Verständnis biologischer Vorgänge und es öffnet auch neue Möglichkeiten, die Tricks der Natur im Labor für andere Zwecke zu nutzen. Diese Strategie wird Biomimetik genannt und sie gewinnt weltweit an Bedeutung.

Ringe mit Metallatomen in der Mitte
„Die Phthalocyanine, die wir untersuchen, sind Farbstoffe mit charakteristischer Ringstruktur“, erläutert Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Entscheidend an dieser Ringstruktur ist, dass sie in ihrer Mitte ein Eisenatom aufnehmen kann – genau wie die Häme, die ringförmig strukturierten roten Farbstoffe im Hämoglobin. Chlorophyll wiederum hat einen ähnlichen Ring, der Magnesium festhält“, so Rupprechter.
“Im Gegensatz zu den komplizierteren natürlichen Vorbildern kann man die Phthalocyanin-Farbstoffe regelmäßig nebeneinander auf einer Oberfläche anordnen und so entsteht ein zweidimensionaler Kristall aus lauter gleichen Farbstoff-Ringen“, sagt Matteo Roiaz, Forscherkollege von Rameshan. „Das hat den Vorteil, dass wir viele Moleküle gleichzeitig untersuchen können und damit viel deutlichere Messsignale bekommen“, erklärt Christoph Rameshan.

Weiteres Experiment mit Laser
In einem weiteren Experiment war der grüne Lichtanteil des Lasers für einen bemerkenswerten Effekt verantwortlich: Ursprünglich sind alle Eisenatome in der Tat völlig identisch, doch die Wechselwirkung mit grünem Licht kann sie in unterschiedliche andere Zustände umschalten. „Dass sich dadurch auch die Schwingungsfrequenz des CO-Moleküls auf dem Eisen-Atom ändert, zeigt uns, wie sensibel solche Strukturen auf winzige Änderungen reagieren“, betont Günther Rupprechter.
„Das ist letztlich auch der Grund, warum die Biomoleküle in unserem Körper eine so komplexe Struktur haben: Die weitverzweigten Protein-Äste haben einen minimalen Einfluss auf die Zustände des Metallatoms – doch dieser minimale Einfluss hat sehr wichtige Auswirkungen“, so Rupprechter weiter. Ähnliche Effekte konnten bisher nur bei extrem tiefen Temperaturen und im Ultrahochvakuum untersucht werden.
„Wir haben nun im Labor sogar zwei Messmethoden, bei denen man solche biologisch relevanten Phänomene bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck messen kann, mit und ohne grünem Licht“, betont Rupprechter. Das eröffnet neue Möglichkeiten, das chemische Verhalten biologischer Stoffe besser zu verstehen, es könnte auch die Chance bieten, neuartige Moleküle maßzuschneidern, um sie nach Vorbild der Natur auf ganz bestimmte chemische Einsatzzwecke hin zu optimieren.

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red/cc, Economy Ausgabe Webartikel, 15.11.2018