Neuer Weg zur Struktur von Biomolekülen
Vizerektor Tilmann Märk nahm am Donnerstag den ersten Geburtstag des Fourier-Transform-Ionen-Zyklotron-Resonanz-Massenspektrometer zum Anlass, sich bei START-Preisträgerin Kathrin Breuker über den Fortgang ihrer Forschungsarbeiten mit dem hochpräzisen Massenspektrometer zu informieren. Die studierte Physikerin beschäftigt sich am Institut für Organische Chemie mit der dreidimensionalen Struktur von Biomolekülen. Denn die Struktur ist entscheidend für die biologische Funktion der Moleküle. „Dieses Massenspektrometer erlaubt es uns, die Moleküle in der Gasphase und damit frei von Lösungsmitteln zu studieren“, erläutert Breuker. Dazu leitet sie über eine Kapillare kleine Mengen von Proteinen oder Nukleinsäuren in die Maschine. Die Biomoleküle werden ionisiert, vom Lösungsmittel getrennt und in eine Vakuumkammer eingebracht. Eine riesige, supraleitende Magnetspule umgibt diese Kammer. Durch die mit flüssigem Helium und Stickstoff gekühlte Spule fließt widerstandsfrei ein Strom von 259 Ampere, der ein Magnetfeld von 7 Tesla erzeugt (zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld hat etwa 0,00005 Tesla). Handy und Geldtasche müssen deshalb am Eingang zum Labor abgegeben werden. „Das starke Magnetfeld würde zum Beispiel die Daten einer Bankkarte sofort löschen“, klärt Katrin Breuker auf. „Für unsere Arbeit ist das starke Magnetfeld aber entscheidend. Mit ihm können wir die Biomoleküle stundenlang festhalten und im Detail untersuchen.“ Außerdem sorgt der Magnet für eine kreisförmige Bewegung der ionisierten Moleküle, über deren Frequenz das Verhältnis von Masse und Ladung bestimmt werden kann. Da sich Frequenzen sehr genau messen lassen, kann daraus auch die Masse exakt ermittelt werden. Die Biomoleküle können in dem Gerät auch auf unterschiedliche Art und Weise von außen manipuliert werden. So gibt es die Möglichkeit, die Teilchen mit einem Laser anzuregen, sie über eine integrierte Kathode mit Elektronen zu beschießen oder mit anderen Molekülen zur Reaktion zu bringen.
Biomoleküle identifizieren und charakterisieren
„Proteine kommen im Organismus in ganz unterschiedlichen chemischen Umgebungen vor“, sagt Kathrin Breuker. „Mit diesem Gerät können wir die Moleküle ohne Beeinflussung von außen untersuchen und damit strukturelle Eigenschaften bestimmen, die uns Aufschluss über das Verhalten in unterschiedlichen chemischen Umgebungen geben können.“ Diese Kenntnisse sind auch die Voraussetzung, um die Moleküle in der Gasphase gezielt auseinander brechen zu lassen. Dissoziationsmechanismen werden nämlich dazu genutzt, die Moleküle genau zu charakterisieren. „Im Gegensatz zu anderen Verfahren, wo große Moleküle zunächst chemisch zerlegt, gereinigt, dann analysiert und die Daten schließlich mühsam wieder zusammengesetzt werden, können wir hier die Moleküle in der Gasphase gezielt in Fragmente zerlegen und deren Massen genau bestimmen“, erklärt Breuker. Dies erlaubt eine weitaus genauere Rekonstruktion der Biomoleküle, durch die auch chemische Veränderungen aufgespürt werden können. Verfeinerungen dieser Methode ermöglichen es Breuker und ihrem Team nun immer längere Stücke von Ribonukleinsäure (RNA) zu charakterisieren.
Genutzt wird das Messinstrument auch im Rahmen von Kooperationen innerhalb des Forschungszentrums für Molekulare Biowissenschaften (CMBI). Finanziert wurde die Apparatur je zur Hälfte aus dem Uniinfrastrukturprogramm IV und dem START-Preis, mit dem Kathrin Breuker 2007 ausgezeichnet wurde.