Foto: Wassertanz
Tanz des Wassers;© RUB

Im virtuellen Labor gewannen die Forscher um Professor Dominik Marx und Professor Martina Havenith-Newen Hinweise auf den Mechanismus, mit dem gelöste Biomoleküle die Wassermoleküle in ihrer Umgebung über Entfernungen bis zu mehreren Molekülabmessungen beeinflussen können. Entscheidend sind die Biomolekül-Wasser-Grenzflächen.

Bei Frequenzen, die denen des infraroten Lichts entsprechen, kann man die Schwingungen innerhalb der einzelnen Moleküle beobachten. „Bei niedrigeren Frequenzen, im Terahertz-Bereich, der im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Frequenzen des infraroten Lichts und der Mikrowellenstrahlung liegt, finden viel komplexere Bewegungen statt, bei denen sich ganze Wassermoleküle relativ zueinander bewegen“, erklärt Havenith-Newen. „Diese Bewegungen beinhalten insbesondere das Schließen und Aufbrechen des dreidimensionalen Wasserstoffbrücken-Netzwerks, welches die Wassermoleküle aneinander bindet und für die außergewöhnlichen Eigenschaften von Wasser verantwortlich ist.“

Diese Beobachtungen sind erst seit Kurzem durch die Entwicklung neuartiger Laserstrahlungsquellen möglich. Studien an der RUB führten zu Entdeckung eines unerwartet weitreichenden Einflusses von im Wasser gelösten biologisch relevanten Molekülen wie Zucker oder Proteinen, dem sogenannten „Terahertz-Tanz“ des Wassers. Rund um das Molekül herrscht Ordnung in der Schrittfolge: „Während sich Wassermoleküle für sich genommen wie Diskotänzer bewegen, führen sie in der Nähe von Biomolekülen ein Menuett auf“, sagt Havenith-Newen. Allerdings war bislang unklar, wie dieses unerwartete Phänomen zu erklären ist.

Durch neu entwickelte Analyseverfahren konnte nachgewiesen werden, wie genau die THz-Schwingungen des Wassers durch korrelierte Bewegungen vieler Wassermoleküle zu beschreiben sind: sozusagen durch Wassertröpfchen im Wasser selbst. „Damit haben wir die ‚Choreografie des reinen Wassers‘ bei niedrigen Frequenzen aufgedeckt“, sagt Marx.

Wird nun ein Stoff, etwa ein Protein, in Wasser gelöst, so „stört“ dieser die Choreographie des Wassers an seiner Grenzfläche. „Die korrelierten Schwingungen von Wassermolekülen bei THz-Frequenzen weisen ein neuartiges Verhalten auf, das sich grundlegend von den bereits seit Langem bekannten Infrarot-Schwingungen der chemischen Bindungen innerhalb der Wassermoleküle unterscheidet“, erklärt Marx weiter. Ganz anders hingegen die Choreografie des THz-Tanzes: Hierbei bewegen sich viele, wenn auch nur indirekt über Wasserstoffbrücken verbundene Moleküle, gemeinsam in einer konzertierten Weise im Raum und Zeit. Es sind nun die Veränderungen dieser Korrelation, hervorgerufen durch Biomolekül-Wasser-Grenzflächen, die von der THz-Spektroskopie detektiert und technologisch ausgenutzt werden.


COMPAMED.de; Quelle: Ruhr-Universität Bochum