Chemie

Rastertunnelmikroskopie-Aufnahme von einzelnen L- und D-Diphenylalanin-Molekülen, die auf einer Kupfer-Oberfläche adsorbiert sind.

Handschlag der Moleküle

Die Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung verfolgten mit einem Rastertunnelmikroskop im Detail, wie zwei Diphenylalanin-Moleküle miteinander wechselwirken, wenn sie sich aneinanderlagern. Den Prozess hielten die Forscher in Bildsequenzen fest. Aus diesen geht hervor, dass sich nur Moleküle gleicher Chiralität bereitwillig zu Paaren und Ketten zusammenschließen – gleichsam als wenn sich nur Linkshänder oder Rechtshänder untereinander die Hand geben würden.

Der Begriff der Chiralität leitet sich nämlich vom griechischen Wort für Hand ab und beschreibt Moleküle, die wie die linke und rechte Hand, in zwei Formen existieren: der rechtshändigen (D-) und der linkshändigen (L-) Form. Sie lassen sich räumlich nicht zur Deckung bringen – im Bild der Hand gesprochen liegen entweder die Handflächen beziehungsweise die Handrücken aufeinander oder die Daumen zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Und nur zwei rechte (oder zwei linke) Hände greifen beim Handschlag passgenau ineinander. Genauso formen auch nur zwei Moleküle derselben chiralen Form eine stabile Struktur.

Wenn Moleküle der rechtshändigen oder linkshändigen Form zueinander finden, sprechen Chemiker von chiraler Erkennung. Sie ist für alle Prozesse in unserem Körper von großer Bedeutung. Denn ein wesentlicher Teil der Information, die etwa Eiweiße bei biochemischen Prozessen austauschen, steckt in der Chiralität, also der exakten räumlichen Anordnung der Molekülbausteine: Ein chirales Molekül kann andere Moleküle mit derselben Chiralität entsprechend den möglichen Kombinationen D/D bzw. L/L erkennen, wohingegen die Kombinationen L/D oder D/L ausgeschlossen sind.

Wie beim Händeschütteln reicht es aber nicht, dass die Moleküle in der komplementären Gestalt zweier rechter oder linker Hände vorliegen. Denn auch Hände greifen nur dann vollständig ineinander, wenn sie sich umeinander schließen. Die Wissenschaftler konnten jetzt erstmals nachweisen, dass sich auch die Formen der beiden Dipeptide bei ihrem „molekularen Händedruck“ dynamisch aneinander anpassen. Dabei induzieren die Moleküle wechselseitig eine Änderung ihrer Konformation. Zu diesem Ergebnis gelangte das Wissenschaftler-Team nicht nur, indem sie den Prozess rastertunnelmikroskopisch untersuchten, sondern auch weil Theoretiker am King’s College in London und am Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik in Freiburg ihn rechnerisch modellierten.

Der Mechanismus chiraler Molekülerkennung, den die Forscher an den Dipeptid-Molekülen beobachteten, trägt wesentlich dazu bei, die Basisschritte der Evolution genauer zu verstehen. Zugleich helfen die Erkenntnisse künstliche, komplexe Materialien mit spezifischen Funktionen zu entwickeln.

Max-Planck-Gesellschaft (2007)