Bewegung von Lipidmolekülen durch Röntgenpulse beobachtet

12.09.2014
Grafik: Lipidmembran

Die Anregung eines Stapels von Lipidmembranen durch Ultraschall führt zu kollektiven Schwingungen, die durch Zeit-aufgelöste Röntgenbeugung präzise vermessen werden können; ©Universität Göttingen

Wissenschaftler der Universitäten Göttingen und Augsburg sowie des Hamburger Forschungsinstituts DESY haben eine neue Methode entwickelt, um die Bewegung von Lipidmolekülen zu beobachten. Die Forscher „rüttelten“ mit kurzen Röntgenpulsen von außen an einem Stapel von Lipidmembranen.

Dabei konnten sie erkennen, dass sich die Membranen durch die akustischen Wellen auf und ab bewegten und ihre innere Struktur zu schwingen begann.

Biomoleküle sind sehr beweglich: Unter dem Einfluss von Wärme schwingen, drehen und strecken sie sich. Da sich diese Bewegungen allerdings ständig überlagern, lassen sie sich experimentell nur gemittelt erfassen. Wollte man die molekularen Strukturveränderungen direkt verfolgen, also gewissermaßen „filmen“, muss die räumliche Auflösung empfindlich genug für molekulare Längenänderungen und die zeitliche Auflösung besser als eine Milliardstel Sekunde sein, um die Bewegungen nicht zu verwaschen.

Diese hohe räumliche und zeitliche Auflösung ermöglichen die kurzen und brillanten Röntgenpulse des Speicherrings Petra III am DESY. Den Forschern gelang es, den exakten Schwingungszustand zu jeder Phasenlage innerhalb einer Periode genau auszulesen – ähnlich wie bei stroboskopischen Beleuchtungen, die Schwingungen zu jedem Zeitpunkt als quasi statisches Bild einfangen können.

Sie beobachteten, wie die aus zwei Lipidmolekülschichten bestehenden Membranen unter dem Einfluss der von außen erzwungenen Bewegung in periodischer Weise sowohl ihre Dicke als auch ihre Dichte veränderten. Aus den für jeden einzelnen Zeitpunkt der Schwingung gemessenen Dichteprofilen ließ sich schließen, dass sich die Ketten der Lipidmoleküle dafür gemeinsam strecken und stauchen.

„Ähnliche Strukturveränderungen könnten sich in Membranen biologischer Zellen aus zeitlichen Kräfteschwankungen ergeben“, erläutert Prof. Tim Salditt vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen. Nicht ohne Grund bezeichnet man Verbünde aus Biomolekülen oder synthetischen Polymeren als „weiche“ Materie. „Die Visualisierung der molekularen Strukturveränderungen mit unserer stroboskopischen Methode ermöglicht nun neue Erkenntnisse über die Eigenschaften dieser so genannten weichen Materie“, so Salditt.

COMPAMED.de; Quelle: Georg-August-Universität Göttingen