Molekulare Erkennung von Zucker-Aromatenkomplexen

Die spezifische Erkennung von aromatischen Molekülen und ringförmigen Kohlenhydraten ist essentiell für viele biologische Prozesse. Ein Beispiel sind Lektine, die die Erkennung zwischen Zuckern und aromatischen Aminosäuren für die selektive Interaktion mit Zellen verwenden. Im Rahmen dieses Antrags für ein Schrödingerstipendium wird vorgeschlagen, diese Wechselwirkung mittels Rotationsspektroskopie in einem Modellsystem auf Molekülebene zu untersuchen. Hierbei sollen moderne Molekülquellen und -strahlmethoden zum Einsatz kommen. Eine bedeutende Innovation des Aufbaus ist eine neuartige Breitbandmikrowellenanregungsmethode. Die spektroskopischen Daten erlauben über die Bestimmung der Trägheitsmomente Rückschlüsse auf die geometrische Struktur und die Konformation der Molekülkomplexe sowie auf die involvierten Atome im Molekülverband. Dies wird zu einem besseren Verständnis der Erkennungsprozesse und der involvierten Wechselwirkungen, vor allem CH/p- und OH/p-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen, führen. Die Rotationsspektren werden mittels einer kürzlich entwickelten "Chirped Pulse Fourier Transform Microwave" (CPTFMW) Methode aufgenommen werden. Dies ermöglicht es Rotationsspektren über einen breiten Frequenzbereich von 2 bis 8 GHz in nur einer Messung aufzunehmen, wodurch Messzeiten drastisch reduziert werden können. Diese Methode revolutioniert derzeit das Feld der Rotationsspektroskopie und wird schon in mehreren Gruppen vor allem in Nordamerika eingesetzt. In Europa gibt es bis dato erst zwei dieser Breitbandspektrometer, eines in Bristol und eines in unserer Gruppe. Die vorgeschlagenen Experimente sollen auch die Verbreitung dieser Technik zu unterstützen. Im Zuge des vorgeschlagenen Projekts werden zunächst die Rotationsspektren der einzelnen Zucker aufgenommen und dadurch deren konformeren Eigenschaften analysiert. Dies kann helfen eine Lücke in den spektroskopischen Referenzdaten für Biomoleküle zu schließen. Die zu erwartenden Resultate erhalten so auch Bedeutung für die Astrochemie, wo versucht wird durch die Identifikation von Zuckern in interstellaren Molekülwolken Schlüsse auf den Ursprung von fundamentalen Bausteinen des Lebens zu ziehen. Aufgrund ihrer biologischen Bedeutung bei Erkennungsprozessen zwischen Zellen und Lektinen soll das Monosaccharid Galactose in der Pyranoseform als Zuckerpartner im Modellsystem verwendet werden. Die Bedeutung von funktionellen Gruppen sowie der verschiedenen Stereoisomere wird durch den Vergleich mit sehr ähnlichen Zuckern, wie Gluco- und Fucopyranose, untersucht werden. Der aromatische Partner im Erkennungsprozess wird durch Benzol, Benzoesäure, Indol und die Aminosäure Tryptophan repräsentiert. Diese Moleküle unterscheiden sich durch ihren Komplexitätsgrad in ihrer Struktur und der Anzahl an funktionellen Gruppen sowie der Elektronendichte im aromatischen Ring. Ein direkter Vergleich der gebildeten Komplexe erlaubt die Balance der intermolekularen Kräfte zu untersuchen. Abschliessend sollen auch die Rotationsspektren von angeregten Molekülkomplexen gemessen werden. Hierzu werden selektiv Vibrationsmoden von intra- und intermolekularen Bindungen mittels eines Infrarotlaser angeregt werden. Dies erlaubt die Erforschung der Energieumverteilung im System sowie die Untersuchung der Stabilität des Komplexes.

Im Rahmen des Schrödingerstipendiums wurden rotationsspektroskopische Methoden auf biologisch relevante Moleküle angewandt. Die Messung der Rotationsübergänge erlaubt Rückschlüsse auf die Struktur der Moleküle und die Untersuchung derer konformeren Eigenschaften. Ziel des Stipendiums war generell der Aufbau eines neuen Spektrometers auf dem Stand der mordernsten Technik und speziell die Erweiterung der Methode auf Komplexe aus aromatischen und Zuckermolekülen. Für die spektroskopische Untersuchung müssen die Moleküle mit einem Trägergas gemischt und mittels Überschallexpansion in die Gasphase gebracht werden. Dies kann durch Heizen der Moleküle oder durch Laserablation, also dem Abtrag von Probematerial durch kurze, intensive Laserpulse, geschehen. Besonders die zweite Methode ist für die oft sehr fragilen Biomoleküle, wie z.B. Zucker, besonders geeignet. Die Entwicklung einer Laserablationsmolekülquelle stellte daher auch einen Hauptteil der Arbeit während des Stipendiums dar. Parallel dazu wurde das neue Spektrometer für die Erforschung anderer interessanter Moleküle verwendet. So wurde zum Beispiel Aminobenzonitril im Hinblick auf dessen Fluoreszenzeigenschaften untersucht. Die Kopplung des Stickstoffkernspins an die Rotationen des Moleküls wurde beobachtet und erlaubte die Bestimmung der elektronischen Orbitalkonfiguration am Ort des Stickstoffs. Diese Information steht im Zusammenhang mit Ladungstransferprozessen bei Fluoreszenzeffekten solcher Moleküle. Auch im Hinblick auf molekulare Erkennung bedeutend ist unsere Erforschung der Konformere von Ibuprofen. Die Wirkung dieses Schmerzmittel erfolgt durch die Blockade eines Enzyms durch Erkennung von Ibuprofen an der Rezeptorstelle. Die rotationsspektroskopische Untersuchung dieses Moleküls erlaubte die Bestimmung der energetische bevorzugten Konformere sowie die Identifizierung der zugehörigen Flexibilität der funktionellen Gruppen. Die, durch das Stipendium ermöglichte Forschung, hat den Grundstein gelegt für zukünftige Arbeiten an für Rotationsspektroskopie neuen und bisher unerreicht großen Molekülen und Molekülkomplexen. Dies wird neue Einblicke in den Zusammenhang zwischen Funktion und Struktur von Biomolekülen und die involvierten intermolekularen Wechselwirkungen erlauben.