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Wie sich die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Biomolekülen bei hohem Druck verändern, haben Forscher der Universitätsallianz Ruhr untersucht. Sie untersuchten das Verhalten des kleinen Moleküls TMAO von Normalbedingungen bis hin zu zehn Kilobar. Experiment und Simulation ergaben, dass sich einige Banden im Infrarotspektrum bei hohem Druck zu höheren Frequenzen verschieben und zudem ihre Form ändern. Grund dafür ist eine zunehmende Anzahl an Wasserstoffbrücken, welche das gelöste TMAO Molekül ausbildet. Solche Ergebnisse können perspektivisch helfen zu verstehen, wie Organismen auf molekularer Ebene an das Leben unter extrem hohem Druck angepasst sind.
Wie sich die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Biomolekülen bei hohem Druck verändern, haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum und der Technischen Universität Dortmund untersucht. Mit Infrarotspektroskopie und Computersimulationen analysierten sie das Verhalten des kleinen Moleküls TMAO – kurz für Trimethylaminoxid – in einem Druckbereich von einem Bar bis zehn Kilobar. Solche Ergebnisse könnten helfen zu verstehen, wie Organismen auf molekularer Ebene an das Leben in der Tiefsee angepasst sind.
Das Team vom Bochumer Lehrstuhl für Theoretische Chemie, geleitet von Prof. Dr. Dominik Marx, kooperierte mit den Dortmunder Arbeitsgruppen für Physikalische Chemie von Prof. Dr. Roland Winter und Theoretische Physikalische Chemie von Prof. Dr. Stefan M. Kast im Rahmen der Universitätsallianz Ruhr. Die Ergebnisse berichten sie in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“.
Leben unter extremen Bedingungen
Nicht nur Mikroorganismen, sondern auch größere Tiere wie Fische, gedeihen bei extremen Drücken in der Tiefsee. Wie sie das auf molekularer Ebene meistern, ist bislang wenig verstanden. Bekannt ist, dass diese Lebewesen bei hohem Druck kleine Moleküle in den Zellen ansammeln, welche Proteinstrukturen stabilisieren. Ein solches Molekül ist TMAO. Wie genau es arbeitet, ist bislang allerdings noch weitgehend Spekulation.
Spektren verändern sich systematisch bei steigendem Druck
Das Team von Roland Winter erfasste mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie, wie sich die Spektren von TMAO bei steigendem Druck verändern. In einer eigens dafür konstruierten Diamant-Stempelzelle variierten die Forscher den Druck von Normalbedingungen bis in den Kilobar-Bereich.
Die so erhaltenen Schwingungsspektren geben Aufschluss über die Struktur des Moleküls selbst und darüber, wie sich seine unmittelbare Lösungsmittelumgebung an den Druck anpasst. Die Wissenschaftler beobachteten, dass sich einige Banden des Spektrums zu höheren Frequenzen verschoben, aber auch, dass einzelne Peaks ihre Form in charakteristischer Weise veränderten.
Die beiden theoretisch arbeitenden Gruppen von Dominik Marx und Stefan Kast bestätigten diese Funde mit Ab-initio-Simulationen und flüssigkeitstheoretischen Rechnungen. Aus allen Daten rekonstruierte das Team die molekulare Ursache der experimentell beobachteten spektralen Veränderungen.
Mehr Wasserstoffbrücken
Bei niedrigem Druck geht das stark negativ polarisierte Sauerstoffatom des TMAO-Moleküls in fast allen Fällen drei Wasserstoffbrücken mit umgebenden Wassermolekülen ein. Bei hohem Druck bildet laut Computersimulationen rund die Hälfte aller TMAO-Moleküle aber vier Wasserstoffbrücken aus. „Das ist eine drastische Änderung des Solvatationsverhaltens. So etwas haben wir bislang in dieser Form noch nicht beobachten können“, so Dominik Marx.
„Ob dieser Effekt tatsächlich erklären kann, wie gefaltete Proteine und biomolekulare Prozesse in Wasser zusammen mit TMAO extrem hohen Drücken standhalten können, darüber können wir bislang nur spekulieren“, ergänzt Roland Winter. „Genau das wollen wir gemeinsam innerhalb unserer Hochdruck-Forschergruppe in weiteren Studien herausfinden.“
Mit ihrer Methodenkombination haben die Dortmunder und Bochumer Forscher dafür das richtige Werkzeug parat. „Die Infrarotspektroskopie ist zusammen mit unseren theoretischen Methoden, die auf der Elektronenstruktur der Moleküle basieren, ein hervorragendes Tool, um neue Erkenntnisse in der experimentell schwer zugänglichen extremen Biophysik zu gewinnen“, so Stefan Kast.
Die Universitätsallianz Ruhr
Seit 2007 arbeiten die drei Ruhrgebietsuniversitäten unter dem Dach der Universitätsallianz Ruhr (UA Ruhr) strategisch eng zusammen. Durch Bündelung der Kräfte werden die Leistungen der Partneruniversitäten systematisch ausgebaut. Unter dem Motto „gemeinsam besser“ gibt es inzwischen über 100 Kooperationen in Forschung, Lehre und Verwaltung. Mit mehr als 115.000 Studierenden und nahezu 1.300 Professorinnen und Professoren gehört die UA Ruhr zu den größten und leistungsstärksten Wissenschaftsstandorten Deutschlands.
Förderung
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten durch die Forschergruppe „Exploring the Dynamical Landscape of Biomolecular Systems by Pressure Perturbation“ (FOR 1979) sowie im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC 1069). Die Simulationen führten die Forscher am Leibniz-Rechenzentrum in München mithilfe des Supermuc-Systems, am Bochumer Virtuellen Labor sowie am Lido-System der TU Dortmund durch.
Originalveröffentlichung
Sho Imoto, Patrick Kibies, Christopher Rosin, Roland Winter, Stefan M. Kast, Dominik Marx: Toward extreme biophysics: Deciphering the infrared response of biomolecular solutions at high pressures, in: Angewandte Chemie International Edition, 2016, DOI: 10.1002/anie.201602757
Pressekontakt
Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Fakultät für Chemie und Biochemie, Ruhr-Universität Bochum, Tel.: 0234 32 28083, E-Mail: dominik.marx@rub.de
Prof. Dr. Roland Winter, Physikalische Chemie I, Fakultät für Chemie und Chemische Biologie, Technische Universität Dortmund, Tel.: 0231 755 3900, E-Mail: roland.winter@tu-dortmund.de
Prof. Dr. Stefan M. Kast, Physikalische Chemie III, Fakultät für Chemie und Chemische Biologie, Technische Universität Dortmund, Tel.: 0231 755 3906, E-Mail: stefan.kast@tu-dortmund.de
Angeklickt
Universitätsallianz Ruhr
http://www.uaruhr.de
Exzellenzcluster Resolv
http://www.ruhr-uni-bochum.de/solvation
Criteria of this press release:
Journalists
Biology, Chemistry
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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