Neue Einblicke in ultraschnelle molekulare Prozesse

Viele biologisch bedeutsame Moleküle verändern ihre Struktur, wenn sie durch UV-Strahlung angeregt werden – ein Vorgang, der auch bei bestimmten Medikamenten auftritt, bisher jedoch nur unzureichend verstanden wurde. Dank einer innovativen Technik gelang es einem internationalen Team, darunter Wissenschaftler der Goethe-Universität Frankfurt, des European XFEL in Schenefeld und des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY in Hamburg, diese Prozesse in Zeitlupe sichtbar zu machen.

„Wir haben das Molekül 2-Thiouracil untersucht, das zu einer Gruppe von Wirkstoffen auf der Basis bestimmter DNA-Bausteine, der Nukleobasen, gehört", erklärt Studien-Letztautor Markus Gühr, wissenschaftlicher Leiter des Freie-Elektronen-Lasers FLASH am DESY und Professor für Chemie an der Universität Hamburg. 2-Thiouracil besitzt ein Schwefelatom, das ihm seine besonderen medizinischen Eigenschaften verleiht. „Diese Moleküle werden auf gefährliche Weise reaktiv, wenn sie UV-Strahlung ausgesetzt werden", so Gühr weiter. Studien legen nahe, dass dieser Effekt das Hautkrebsrisiko erhöhen kann.

Weiterentwicklung einer bewährten Methode

Das Forschungsteam nutzte das sogenannte Coulomb-Explosion-Imaging, eine Methode, bei der ein Molekül mit intensiven Röntgenpulsen bestrahlt wird. „Dadurch werden Elektronen herausgeschlagen, was das Molekül stark positiv auflädt und instabil macht. Es zerfällt innerhalb von Sekundenbruchteilen", erklärt Till Jahnke, Professor für experimentelle Atom- und Molekülphysik an der Goethe-Universität und Erstautor der Studie. Die Flugbahnen der dabei entstehenden Molekülbruchstücke geben Aufschluss über die ursprüngliche Struktur des Moleküls.

Bisher lieferte diese Technik vor allem bei einfachen Molekülen verwertbare Ergebnisse. Das Forschungsteam kombinierte das Verfahren nun mit einem eigens entwickelten Versuchsaufbau an der SQS-Experimentierstation des European XFEL. „Dieses Experiment ist in vielerlei Hinsicht eine technische Innovation und eine wichtige Erweiterung der Experimentiermöglichkeiten am SQS-Instrument", betont Michael Meyer, Leiter der SQS-Experimentierstation. „Erstmals lassen sich diese Abbildungsverfahren an einem biologisch und medizinisch relevanten Molekül anwenden."

UV-Licht macht 2-Thiouracil reaktiv

Die Untersuchung zeigte, dass sich 2-Thiouracil unter UV-Bestrahlung verformt. Das Molekül, das normalerweise eine flache Struktur besitzt, wölbt sich, sodass das Schwefelatom hervortritt. In diesem Zustand bleibt es längere Zeit stabil und erhöht seine chemische Reaktivität – ein Faktor, der Hautkrebs begünstigen kann.

Gühr erklärt: „Das ist auch ein wesentlicher Unterschied zu gewöhnlichen Nukleobasen, die strukturell sehr ähnlich sind, aber kein Schwefelatom besitzen. Sie haben Mechanismen entwickelt, um UV-Strahlung in harmlose Wärme umzuwandeln. Beim 2-Thiouracil verhindert das Schwefelatom eine solche Umwandlung."

Vereinfachung künftiger Untersuchungen

Die Studie lieferte nicht nur neue Erkenntnisse über die UV-Reaktion von 2-Thiouracil, sondern brachte auch Fortschritte in der experimentellen Technik selbst. „Wir müssen zur Rekonstruktion des Moleküls und seiner Veränderung gar nicht alle Atome im Detektor nachweisen", so Jahnke. „Es reicht, das Schwefel- und das Sauerstoffatom sowie die vier Wasserstoffkerne zu erfassen. Die sechs Kohlenstoffatome sind dafür nicht notwendig."

Diese Vereinfachung könnte künftige Untersuchungen an komplexeren Molekülen erheblich erleichtern und zeigt das enorme Potenzial der weiterentwickelten Methode. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt, um molekulare Reaktionsprozesse besser zu verstehen und deren Auswirkungen auf biologische Systeme zu erforschen.

Originalpublikation:
Till Jahnke, Sebastian Mai, Surjendu Bhattacharyya, Keyu Chen, Rebecca Boll, Maria Elena Castellani, Simon Dold, Ulrike Frühling, Alice E. Green, Markus Ilchen, Rebecca Ingle, Gregor Kastirke, Huynh Van Sa Lam, Fabiano Lever, Dennis Mayer, Tommaso Mazza, Terence Mullins, Yevheniy Ovcharenko, Björn Senfftleben, Florian Trinter, Atia Tul Noor, Sergey Usenko, Anbu Selvam Venkatachalam, Artem Rudenko, Daniel Rolles, Michael Meyer, Heide Ibrahim, Markus Gühr. Direct observation of ultrafast symmetry reduction during internal conversion of 2-thiouracil using Coulomb explosion imaging. Nature Communications (2025) nature.com/articles/s41467-025-57083-3

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main