Wie Lipidmoleküle sich bewegen
Röntgen-Stroboskop liefert Einblicke in die Dynamik von Biomolekülen.
Mit einem Röntgen-Stroboskop gelang es Forschern der Universitäten Augsburg und Göttingen, die Bewegung von Lipidmolekülen aufzuzeichnen. Die Untersuchung liefert neue Einblicke in die Dynamik spezieller Biomoleküle, aus denen unter anderem Zellmembranen aufgebaut sind. Die aus einer Doppelschicht von Lipidmolekülen bestehenden Zellmembranen kontrollieren, welche Substanzen in eine biologische Zelle hinein und wieder hinaus gelangen, und welche Stoffe zwischen verschiedenen Bereichen einer Zelle ausgetauscht werden.
Abb.: Anregung eines Stapels von Lipidmembranen durch Ultraschall führt zu kollektiven Schwingungen, die durch zeitaufgelöste Röntgenbeugung präzise vermessen werden können. (Bild: U. Göttingen)
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 Tim Salditt von der Universität Göttingen.
Beide Bedingungen erfüllt die Forschungslichtquelle PETRA III am DESY. Mit den hellen, kurzen Röntgenblitzen von PETRA III filmten die Forscher die Bewegung eines Stapels von Lipidmembranen, an dem sie kontrolliert mit Ultraschall von außen rüttelten. Für das Experiment musste das Team die Schwingung der Membranen genau mit der Frequenz der Röntgenpulse synchronisieren, so dass die Röntgenblitze die Bewegung der Membranen wie ein Stroboskop in verschiedenen Phasen festhielten.
Die Forscher konnten so sichtbar machen, wie sich die Membranen durch die Ultraschallwellen nicht nur auf und ab bewegten, sondern zusätzlich auch ihre innere Struktur zu schwingen begann. 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. Dazu müssen sich die Ketten der Lipidmoleküle gemeinsam strecken und stauchen, wie die aufgenommenen Dichteprofile zeigen.
„Ähnliche Strukturveränderungen könnten sich in Membranen biologischer Zellen aus zeitlichen Kräfteschwankungen ergeben“, so Salditt. „Die Visualisierung der molekularen Strukturveränderungen mit unserer stroboskopischen Methode ermöglicht nun neue Erkenntnisse über die dynamischen Eigenschaften dieser sogenannten weichen Materie.“
DESY / RK
