Sehen, riechen, schmecken: Wie Biomoleküle in Sinneszellen funktionieren
Rhodopsin vor der Aktivierung durch Licht (links) und danach (rechts): Die Anregung führt im Innern des Moleküls zu Änderungen an funktionalen Gruppen (Lupe), die sich auf das gesamte Molekül auswirken. © E. Ritter/HZB
Ein Team hat analysiert, wie sich das Biomolekül Rhodopsin nach der Aktivierung durch Licht verändert. Rhodopsin spielt beim Sehen eine zentrale Rolle, ist aber auch ein Prototyp für Rezeptoren in anderen Sinnesorganen. Ein neu entwickeltes Infrarotspektrometer an BESSY II hat es ermöglicht, diese Untersuchung erstmals unter natürlichen Bedingungen durchzuführen. Mit der neuen Methode lassen sich schnelle, irreversible Reaktionen mit nur einer einzigen Messung beobachten. Bislang mussten dafür tausende solcher Reaktionen ausgewertet werden. Viele biologische Prozesse sind jedoch irreversibel und lassen sich nicht zyklisch wiederholen.
Zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie im Submillisekunden-Bereich ist eine wichtige Methode, um die Beziehung zwischen Funktion und Struktur in Biomolekülen zu untersuchen. Dies funktioniert jedoch nur dann, wenn die Reaktion viele Tausende Mal wiederholt werden kann. Das ist aber bei einer Vielzahl von biologischen Prozessen nicht der Fall: Sie basieren vielmehr auf sehr schnellen und irreversiblen Reaktionen, beispielsweise in den Sinneszellen der Netzhaut beim Sehen.
Féry-Infrarotspektrometer: Eine einzige Messung reicht
Nun hat ein Team um Dr. Ulrich Schade (HZB) und Dr. Eglof Ritter (Humboldt-Universität zu Berlin) an der IRIS-Beamline von BESSY II ein neues Instrument entwickelt, das mit einer einzigen Messung auch solche irreversiblen Reaktionen erfassen kann. Die Zeitauflösung beträgt dabei wenige Mikrosekunden. Das Instrument, ein Féry-Spektrometer, nutzt einen hochempfindlichen Detektor (sog. Focal-Plane-Array-Detektor) und spezielle Optiken, um die brillante Infrarotstrahlung der Synchrotronquelle BESSY II optimal auszunutzen. Das Team konnte damit erstmals die Aktivierung von Rhodopsin unter nahezu physiologischen Bedingungen beobachten.
Nagelprobe für das System: Rhodopsin
„Wir haben Rhodopsin verwendet, da es nach Lichtanregung irreversibel zerfällt und somit eine echte Nagelprobe für das System ist“, erklärt Ritter, Erstautor der Studie. Das Protein Rhodopsin ist das Sehpigment in den Stäbchen der Netzhaut des Auges. Schon einzelne Photonen können Rhodopsin aktivieren - damit ermöglicht es die Wahrnehmung von geringsten Lichtintensitäten. Darüber hinaus ist Rhodopsin der Prototyp einer großen Klasse von Rezeptoren, die unter anderem für Riechen, Schmecken, Druckempfinden, Hormonrezeption usw. verantwortlich sind, und die alle auf eine sehr ähnliche Art und Weise funktionieren.
Das Team untersuchte außerdem ein weiteres spannendes Protein erstmals im Infrarotbereich: Actinorhodopsin. Dieses Molekül ist in der Lage, Lichtenergie in einen elektrischen Strom umzuwandeln – eine Eigenschaft, die sich manche Bakterien zur Gewinnung elektrochemischer Energie für ihren Stoffwechsel zu Nutzen machen.
„Mit der neuen Methode lassen sich die molekularen Reaktionsmechanismen aller irreversiblen Prozesse (oder langsam zyklischen Prozesse) untersuchen, zum Beispiel im Bereich der Energiekonversion und –Speicherung“, betont Schade, der das IRIS-Team leitet.
Die Arbeit erschien im Journal of Physical Chemistry Letters (2019): Féry Infrared Spectrometer for Single-Shot Analysis of Protein Dynamics. Eglof Ritter, Ljiljana Puskar, So Young Kim, Jung Hee Park, Klaus Peter Hofmann, Franz Bartl, Peter Hegemann, Ulrich Schade
DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b03099
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.