Am Anfang war ein bisschen Schlamm: Der japanische Tauchroboter Kaiko hatte eine Bodenprobe im Marianengraben geborgen, fast elf Kilometer unter der Meeresoberfläche. Es ist das tiefste Gebiet der Erde, gelegen im Pazifik zwischen Japan und Australien. Am Marine Biodiscovery Centre in Aberdeen, Schottland, wurde der Schlamm analysiert. Ergebnis: In ihm steckten bisher unbekannte Bakterien, die in dieser unwirtlichen Tiefe leben. Ihre Stoffwechselprodukte interessieren die Forscher in Aberdeen sehr – auch im Hinblick auf medizinische Anwendungen. Denn viele Wirkstoffe in Medikamenten haben einen natürlichen Ursprung, etwa Penizillin.
Marcel Jaspars, Professor für Organische Chemie, und sein Team setzten etablierte Methoden ein – etwa die Kernspinresonanz-Spektroskopie und Kristallstrukturanalyse –, um die Stoffwechselprodukte zu entschlüsseln. Doch ein Molekül widersetzte sich der Analyse hartnäckig. Die Forscher erhielten nicht eine einzige molekulare Struktur, sondern gleich vier davon. Das Problem: Selbst wenn zwei Moleküle aus den gleichen Atomen bestehen, also die gleiche Summenformel haben, kann die Lage der einzelnen Atome, also die Molekülstruktur, unterschiedlich sein. Und die ist ausschlaggebend für die chemische Interaktion mit der Umgebung – also beispielsweise für die Wirkung von Medikamenten.
Jaspars Ergebnis für die Summenformel war C16H10N2O2. Doch wo genau welches Kohlenstoff-Atom (C) sich befindet und wo die beiden Sauerstoff-Atome (O) positioniert sind, konnten die Forscher zunächst nicht herausfinden. Sie kamen erst weiter, als sie auf eine Publikation von Leo Gross und seinem Team am IBM-Forschungsinstitut in Rüschlikon bei Zürich stießen. Im Fachblatt Science hatten die Wissenschaftler das Bild eines einzelnen Pentacen- Moleküls veröffentlicht, aufgenommen mit einem modernen Rasterkraftmikroskop. „Wir benutzen eine Stimmgabel, die mit einer sehr kleinen Auslenkung schwingt. Wenn wir diese Stimmgabel nahe an die Oberfläche bringen, verstimmt sie sich”, beschreibt Gross das Grundprinzip der Methode, mit der sich eine Art molekulares Höhenprofil erfühlen lässt.
NADELSPITZE AUS EIN PAAR ATOMEN
Die drei Millimeter große Stimmgabel kann man mit bloßem Auge gerade noch erkennen. Doch um die hohe Auflösung der Bilder zu erhalten, darf der Kontakt zum Molekül nur an einer winzigen Stelle erfolgen. Genau das ist bei diesem Rasterkraftmikroskop der Fall (siehe Kasten „Großer Aufwand für kleine Teilchen”): An einem der Stimmgabelzinken klebt eine Nadelspitze, deren Ende nur aus wenigen Atomen besteht. Doch für die Schweizer Forscher war dies noch nicht dünn genug. Sie hängten ein einzelnes Kohlenstoffmonoxid-Molekül (CO) an die Spitze. Es wurde mitsamt der Stimmgabel zeilenweise über die Probe gefahren. Man „rasterte” die Probe also ab – daher der Name Rasterkraftmikroskopie. Die Kräfte, die dabei zwischen dem CO-Molekül an der Spitze und dem zu untersuchenden Proben-Molekül wirkten, veränderten die Schwingung der Stimmgabel spezifisch und bildeten so das Molekül ab. „Wir beobachten, wie sich die Stimmgabel verstimmt, wenn wir über dem einen oder über dem anderen Atom sind – das ist je nach Atom unterschiedlich”, veranschaulicht Leo Gross die Prozedur.
Marcel Jaspars erkannte, dass ihm diese Methode weiterhelfen könnte und nahm Kontakt mit Leo Gross auf. Der sah sich nun vor einer neuen Herausforderung, denn die Struktur des gerasterten Pentacens war zuvor bekannt gewesen. Nun aber ging es um ein unidentifiziertes Tiefsee-Molekül. „Wir haben versucht, das Molekül zu sehen – und es hat geklappt”, freut sich Gross. Auch Jaspars Gruppe war begeistert: „Wir konnten anhand der Bilder direkt zwei der vier Strukturen ausschließen. Es war unglaublich!” , erinnert sich Rainer Ebel, ein Mitarbeiter von Jaspars. „Ein Molekül so daliegen zu sehen, mit seinen Bindungen und allem – das ist der Traum eines Wissenschaftlers.”
Um die richtige der beiden verbleibenden Strukturen herauszufinden, untersuchte die Schweizer Gruppe, wie sich das Molekül auf dem atomaren Untergrund anordnete. Über Vergleiche mit Modellen und Berechnungen konnten die Forscher am Ende eine der beiden Strukturen ausschließen. Ihr Ergebnis veröffentlichten die beiden Teams kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Chemistry.
Das Orchideen-Molekül
Etwas enttäuschend war, dass das Tiefsee-Molekül doch keine neue Verbindung darstellte, sondern bereits unter dem Namen Cephalandol A bekannt war. Man hatte es erstmals 2006 in taiwanesischen Orchideen identifiziert. „Aber es war auch von Vorteil, dass die Substanz bereits bekannt war und wir deshalb die erhaltene Struktur als korrekt einstufen konnten”, sagt Rainer Ebel. Die Strukturaufklärung war sehr rasch gelungen. Ein großes Plus: Man brauchte bloß ein einzelnes Molekül betrachten und musste nicht über viele Moleküle mitteln wie bei den herkömmlichen Methoden zur Molekülbestimmung. Am Ende hatten die Wissenschaftler zudem ein realistisches Abbild und nicht lediglich ein aus spektroskopischen Daten berechnetes Modell. „ Doch eine chemische Sensitivität haben wir leider noch nicht”, bedauert Gross. Das bedeutet: Es ist noch nicht möglich, mit der Spitze über ein einzelnes Atom zu fahren und zweifelsfrei zu sagen, um welches Element es sich handelt. Probleme bereiten vor allem Moleküle, die nicht flach sind. Denn bei ihnen lässt sich nur schwer unterscheiden, ob ein Atom aus der Ebene herausragt oder ob es sich um das Atom eines anderen Elements handelt.
Demnächst wollen sich die Forscher an größere und somit komplexere Moleküle heranwagen. Sie werden dabei versuchen, mit der Rasterspitze das Molekül zu wenden. Denn dann können sie es von zwei Seiten abtasten und so ein dreidimensionales Bild zusammensetzen – ein weiteres Traumbild der Molekül-Betrachter. ■
Von Laura Hennemann
Grosser Aufwand für kleine Teilchen
Um Molekülstrukturen zu entschlüsseln, setzen Chemiker und Physiker raffinierte Techniken ein:
· Massenspektrometer bestimmen die exakte Masse von Atomen und Molekülen. Dadurch kann man zum Beispiel auf die Summenformel eines Moleküls schließen.
· Die Kernspinresonanz-Spektroskopie entschlüsselt die Wasserstoff- und Kohlenstoff-Atome eines Moleküls. Da sich deren Resonanz durch ihre Nachbar-Atome verändert, werden auch diese erfasst. Allerdings wird die Struktur um so weniger genau bestimmt, je mehr Atome zwischen den Wasserstoff- beziehungsweise Kohlenstoff-Atomen liegen. Aus diesem Grund ergab die Untersuchung von Cephalandol A vier alternative Strukturen.
· Die Kristallstrukturanalyse ist eine zuverlässige Methode, um die Struktur herauszufinden, wenn sich aus einer Molekülsorte ein Kristall züchten lässt. Dann schießt man Röntgenstrahlen auf den Kristall, die an den einzelnen atomaren Ebenen abgelenkt werden. Aus dem charakteristischen Muster der abgelenkten Strahlen lässt sich die Anordnung der Atome berechnen. Mithilfe von Röntgenbeugungsdaten beschrieben beispielsweise James Watson und Francis Crick 1953 die Doppelhelix-Struktur der DNA. Beim Cephalandol A war es allerdings nicht möglich, Kristalle von ausreichender Qualität zu erhalten.
· Bei der Rasterkraftmikroskopie fährt eine sehr feine Nadelspitze, die manchmal nur aus ein paar Atomen besteht, über die Oberfläche einer Probe. Man misst zum Beispiel die Eigenschwingung einer kleinen Stimmgabel: Sie verändert sich um so stärker, je größer die Kraft zwischen Spitze und Probe ist. Dabei spielen anziehende Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Kräfte und die abstoßende Pauli-Wechselwirkung eine Rolle. Beim Rastern der Spitze entsteht Punkt für Punkt ein Bild der Oberfläche.
