Beschleunigte biomimetische Kernmagnetresonanz

Die Kristallisation von Mineralen ist ein wichtiger Prozess der Natur, beispielsweise zum Aufbau von Knochen, Zähnen oder tierischen Panzern. Unser Verständnis der dahinterstehenden Prozesse auf der atomaren und molekularen Ebene ist allerdings noch lückenhaft. Dies obwohl es durchaus von Nutzen wäre tiefere Einblicke in diese Prozesse zu erarbeiten, um etwa Knochenprotesen zu optimieren oder neue funktionelle Materialien zu entwickeln. Das Projekt Biomimetische Kernmagnetresonanz zielt darauf ab, eben dieses Verständnis der Mine- ralisation zu vertiefen, indem Methoden entwickelt werden, die es erlauben solche Prozesse zeitauf- gelöst auf molekularer Ebene zu verfolgen. NMR (nuclear magnetic resonance) ist eine der wichtigsten Methoden, um Strukturen von Molekülen in Lösung zu ermitteln, allerdings mit eingeschränkter Zeitauflösung. Um aufbauend auf der NMR- Spektroskopie eine Echtzeitbeobachtung von Prozessen zu ermöglichen, zielt das Projekt darauf ab mit Hilfe der sog. Hyperpolarisation (genauer durch Dissolution Dynamic Nuclear Polarization, kurz D -DNP) eine neue Methode zu entwickeln, die eine bis zu 10000-fache Signalverstärkung bei NMR-Messungen erlaubt. Dadurch können molekulare Prozesse zeitaufgelöst verfolgt werden. Das Prinzip lautet: Je stärker ein Signal, umso kürzer muss es beobachtet werden für eine Messung. Wenn also die Zeit pro NMR Messung reduziert werden kann, können rasch ablaufende Messreihen verwirklicht werden, was wiederrum Zeitauflösung ermöglicht. D-DNP erlaubt es damit, schnelle Prozesse selbst im Millisekunden-Bereich zu verfolgen und dabei einzelne Atome zu unterscheiden. Ein spezieller Fokus des Projektes ist es, die sog. Biomineralisationsprozesse und deren Anfangsstadien zu verstehen. Biomineralisation ist die Fähigkeit lebendiger Organismen, feste Materialien zu produ- zieren. Bei solchen Prozessen, beispielsweise bei der Knochenbildung, kommt es innerhalb von Milli- sekunden zur Entstehung einer Vorstufe von Kristallisationskeimen, z.B., wenn Calcium- und Phosphat- Ionen in Lösung aufeinandertreffen. Diese Spezies, die zu Beginn des Kristallisationsprozesses auftre- ten sollen durch das Projekt analytisch charakterisiert und mit hochauflösenden Methoden observiert werden, um mit neuen Einblicken und Technologie Biomineralien und die dahinterstehenden chemi- schen Prozesse noch umfassender zu beschreiben. Es geht z.B. darum zu klären, ob die Größe der neu entdeckten Vorstufenspezies kontrollierbar ist und man damit Einfluss auf Härte oder Sprödigkeit des später entstehenden makroskopischen Materials nehmen kann. Zudem soll zu einem langjährigen Disput um die Theorie hinter der Biomineralisation beigetragen wer- den, um die Frage zu klären, ob diese Vorstufen zu den Kristallisationskeimen in den über Jahrzehnte entwickelten klassischen theoretischen Erklärungsrahmen der Mineralisation passen oder ob neue nicht-klassische Theorien entwickelt werden müssen.

Die Kristallisation von Mineralen ist ein wichtiger Prozess der Natur, beispielsweise zum Aufbau von Knochen, Zähnen oder tierischen Panzern. Unser Verständnis der dahinterstehenden Prozesse auf der atomaren und molekularen Ebene ist allerdings noch lückenhaft. Dies obwohl es durchaus von Nutzen wäre tiefere Einblicke in diese Prozesse zu erarbeiten, um etwa Knochenprotesen zu optimieren oder neue funktionelle Materialien zu entwickeln. Das Projekt "Biomimetische Kernmagnetresonanz" zielt darauf ab, eben dieses Verständnis der Mineralisation zu vertiefen, indem Methoden entwickelt werden, die es erlauben solche Prozesse zeitaufgelöst auf molekularer Ebene zu verfolgen. NMR (nuclear magnetic resonance) ist eine der wichtigsten Methoden, um Strukturen von Molekülen in Lösung zu ermitteln, allerdings mit eingeschränkter Zeitauflösung. Um aufbauend auf der NMR-Spektroskopie eine Echtzeitbeobachtung von Prozessen zu ermöglichen, zielt das Projekt darauf ab mit Hilfe der sog. Hyperpolarisation (genauer durch Dissolution Dynamic Nuclear Polarization, kurz D-DNP) eine neue Methode zu entwickeln, die eine bis zu 10000-fache Signalverstärkung bei NMR-Messungen erlaubt. Dadurch können molekulare Prozesse zeitaufgelöst verfolgt werden. Das Prinzip lautet: "Je stärker ein Signal, umso kürzer muss es beobachtet werden für eine Messung. Wenn also die Zeit pro NMR Messung reduziert werden kann, können rasch ablaufende Messreihen verwirklicht werden, was wiederrum Zeitauflösung ermöglicht." D-DNP erlaubt es damit, schnelle Prozesse - selbst im Millisekunden-Bereich - zu verfolgen und dabei einzelne Atome zu unterscheiden. Ein spezieller Fokus des Projektes ist es, die sog. Biomineralisationsprozesse und deren Anfangsstadien zu verstehen. Biomineralisation ist die Fähigkeit lebendiger Organismen, feste Materialien zu produzieren. Bei solchen Prozessen, beispielsweise bei der Knochenbildung, kommt es innerhalb von Millisekunden zur Entstehung einer Vorstufe von Kristallisationskeimen, z.B., wenn Calcium- und Phosphat-Ionen in Lösung aufeinandertreffen. Diese Spezies, die zu Beginn des Kristallisationsprozesses auftreten sollen durch das Projekt analytisch charakterisiert und mit hochauflösenden Methoden observiert werden, um mit neuen Einblicken und Technologie Biomineralien und die dahinterstehenden chemischen Prozesse noch umfassender zu beschreiben. Es geht z.B. darum zu klären, ob die Größe der neu entdeckten Vorstufenspezies kontrollierbar ist und man damit Einfluss auf Härte oder Sprödigkeit des später entstehenden makroskopischen Materials nehmen kann. Zudem soll zu einem langjährigen Disput um die Theorie hinter der Biomineralisation beigetragen werden, um die Frage zu klären, ob diese Vorstufen zu den Kristallisationskeimen in den über Jahrzehnte entwickelten klassischen theoretischen Erklärungsrahmen der Mineralisation passen oder ob neue nicht-klassische Theorien entwickelt werden müssen.