Thermodynamik im Millionstel einer Millionstel Sekunde

Forschende der Ruhr-Universität Bochum haben eine innovative Methode entwickelt, mit der die Rolle des Wassers in komplexen biologischen Prozessen erstmals experimentell untersucht werden kann. Die sogenannte Terahertz-Kalorimetrie (THz-Kalorimetrie) ermöglicht es, die Wechselwirkung zwischen Wasser und Proteinen mit extremer Zeitauflösung sichtbar zu machen und thermodynamische Größen wie Solvatationsentropie und -enthalpie in Echtzeit zu quantifizieren.

Das Team um Prof. Dr. Martina Havenith-Newen, Sprecherin des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation (RESOLV), beschreibt die Methode in der Fachzeitschrift Nature Reviews Chemistry (9. Mai 2025).

Bedeutung für fundamentale biologische Prozesse

Biologische Vorgänge wie die Bildung von Fibrillen – feine, fadenförmige Strukturen aus Bündeln von Proteinfilamenten, die wesentliche Bestandteile verschiedener Gewebe und Zellen sind –, die Proteinfaltung oder auch die Proteinaggregation als Kennzeichen neurologischer Erkrankungen sind Nichtgleichgewichtsprozesse. „Das heißt, dass sie durch geringe Änderungen der äußeren Bedingungen, zum Beispiel der Temperatur, initiiert werden können“, erklärt Martina Havenith. Trotz der zentralen Rolle von Wasser als Lösungsmittel in all diesen Prozessen wurde die Interaktion mit dem Wasser bislang weitgehend vernachlässigt.

Entwicklung der Terahertz-Kalorimetrie

Im Rahmen eines Advance Grants des European Research Council hat Havenith mit ihrem Team die Methode der Terahertz-Kalorimetrie entwickelt, die es erlaubt, thermodynamische Größen, die den Ablauf biologischer Funktionen bestimmen, aus spektroskopischen Messungen quantitativ abzuleiten.

„Damit können wir diesen Beitrag, der durch die Protein-Wasserinteraktion bestimmt wird, erstmals sichtbar machen“, so die Forscherin.

Neuer Frequenzbereich eröffnet neue Möglichkeiten

Die Messungen erfolgen im Terahertz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums – einem Frequenzbereich, der bisher experimentell nicht zugänglich war. Durch präzise spektroskopische Messungen kombiniert mit einem neuen theoretischen Konzept konnten die Forschenden einen Zusammenhang zwischen den spektroskopischen Messdaten und thermodynamischen Größen wie der Wärmekapazität oder der freien Energie herstellen.

Diese Technik eröffnet neue Perspektiven: Damit wird es erstmals möglich, in Zukunft alle Vorteile von laserspektroskopischen Methoden zu nutzen. „So können wir zum ersten Mal mit einer extremen Zeitauflösung von einem Millionstel von einer Millionstel Sekunde Thermodynamik bei chemischen Reaktionen in Echtzeit untersuchen“, unterstreicht Martina Havenith. Außerdem ist die Vermessung in kleinsten Nanocontainern und in lokalen Hotspots für die Bildung von neurotoxischen Aggregaten erstmals möglich.

Förderung

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Exzellenzstrategie EXC-2033 - 390677874 – RESOLV und vom Europäischen Forschungsrat (Advanced Grant 695437 THz Calorimetry) gefördert.

Originalpublikation:
Pezzotti, S., Chen, W., Novelli, F., Yu, X., Hoberg, C., & Havenith, M. (2025). Terahertz calorimetry spotlights the role of water in biological processes. Nature Reviews Chemistry. https://doi.org/10.1038/s41570-025-00712-8

Quelle: Ruhr-Universität Bochum