Dynamik von Lipidmolekülen

Röntgen-Stroboskop liefert neue Einblicke

Mit einem Röntgen-Stroboskop haben Göttinger Forscher gemeinsam mit Augsburger Kollegen bei DESY die Bewegung von Lipidmolekülen aufgezeichnet. Die Untersuchung liefert neue Einblicke in die Dynamik spezieller Biomoleküle, aus denen unter anderem Zellmembranen aufgebaut sind, wie die Wissenschaftler um Prof. Tim Salditt von der Universität Göttingen im Fachblatt "Physical Review Letters" berichten.

Anregung eines Stapels von Lipidmembranen durch Ultraschall führt zu kollektiven Schwingungen, die durch zeitaufgelöste Röntgenbeugung präzise vermessen werden können. (Bild: Tobias Reusch / Tim Salditt, Universität Göttingen)

Die Eigenschaften von Zellmembranen, die aus einer Doppelschicht von Lipidmolekülen bestehen, sind von großem Interesse, denn sie kontrollieren, welche Substanzen in eine biologische Zelle hinein und wieder hinaus gelangen, und welche Stoffe zwischen verschiedenen Bereichen einer Zelle ausgetauscht werden.

Biomoleküle sind in der Regel sehr beweglich. Unter dem Einfluss von Wärme schwingen, drehen und strecken sie sich. Da sich diese Bewegungen ständig überlagern, lässt sich die Struktur der Membranen experimentell meist nur gemittelt erfassen. "Möchte man die molekularen Strukturänderungen direkt verfolgen, muss die räumliche Auflösung besser als ein millionstel Millimeter und die zeitliche Auflösung besser als eine milliardstel Sekunde sein, damit die extrem schnellen Bewegungen nicht verwischen", erläutert Salditt.

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Beide Bedingungen erfüllt DESYs Forschungslichtquelle PETRA III, die extrem helle und kurze Röntgenblitze produzieren kann. Mit diesen "filmten" die Forscher die Bewegung eines Stapels von Lipidmembranen, an dem sie kontrolliert mit Ultraschall von außen rüttelten. "Für das Experiment musste die Schwingung der Membranen genau mit der Frequenz der Röntgenpulse synchronisiert werden, so dass die Röntgenblitze die Bewegung der Membranen wie ein Stroboskop in verschiedenen Phasen festhielten", erläutert DESY-Forscher Dr. Oliver Seeck, Leiter der Röntgendiffraktions-Messstation P08, an der die Untersuchungen stattfanden. Dazu zeichneten die Wissenschaftler auf, wie das Röntgenlicht an den Membranen zu verschiedenen Zeiten gestreut wurde und bestimmten so deren zeitabhängige Struktur.

Die Forscher beobachteten, dass sich die Membranen durch die Ultraschallwellen nicht nur auf und ab bewegten, sondern es begann auch ihre innere Struktur zu schwingen. "Die aus zwei Lipidmolekülschichten bestehenden Membranen veränderten sowohl ihre Dicke als auch ihre Dichte in periodischer Weise unter dem Einfluss der von außen erzwungenen Bewegung", erläutert Dr. Tobias Reusch von der Universität Göttingen, Erstautor der Studie. "Dazu müssen sich die Ketten der Lipidmoleküle gemeinsam strecken und stauchen, wie die Dichteprofile zeigen, die wir für jeden Zeitpunkt der Schwingung aufgenommen haben."

"Ähnliche Strukturveränderungen könnten sich in Membranen biologischer Zellen aus zeitlichen Kräfteschwankungen ergeben", erläutert Salditt. "Die Visualisierung der molekularen Strukturveränderungen mit unserer stroboskopischen Methode ermöglicht nun neue Erkenntnisse über die dynamischen Eigenschaften dieser sogenannten weichen Materie."

PETRA III produziert extrem brillantes Röntgenlicht mit Hilfe schneller Elektronen aus einem leistungsstarken Teilchenbeschleuniger. Die Teilchen werden auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann auf einen magnetisch abgesteckten Slalomkurs geschickt. In jeder Kurve geben die Elektronen Röntgenlicht ab, das sich zu einem hellen, scharf gebündelten Strahl addiert.

Originalveröffentlichung:
"Collective lipid bilayer dynamics excited by surface acoustic waves"; T. Reusch, F. J. R. Schülein, J. D. Nicolas, M. Osterhoff, A. Beerlink, H. J. Krenner, M. Müller, A. Wixforth, and T. Salditt; "Physical Review Letters", 2014. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.118102.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Tim Salditt
Institut für Röntgenphysik, Universität Göttingen
tsalditt@gwdg.de

Dr. Oliver Seeck
DESY
oliver.seeck@desy.de

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