Die Terahertz-Spektroskopie bildet die spontane Bildung proteinreicher Tröpfchen ab, die zu neurodegenerativen Erkrankungen führen können.
Mit einer neuen Methode „Terahertz (THz)-Kalorimetrie“ ist es einem Forscherteam des Bochumer Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation (RESOLV) gelungen, ein neues Licht auf die spontane Phasentrennung in eine proteinreiche und eine proteinarme Phase zu werfen in einer Lösung. Vermutet wird, dass die proteinreichen Tröpfchen die Bildung neurotoxischer Proteinaggregate fördern – ein Hotspot für neurodegenerative Erkrankungen. Das berichten die Forscherinnen und Forscher unter der Leitung von Professorin Martina Havenith, Inhaberin des Lehrstuhls für Physikalische Chemie II der Ruhr-Universität Bochum Journal of Physical Chemistry Letters online veröffentlicht am 6. Februar 2023.
Molekulare Ebene und Zeitauflösung im Pikosekundenbereich
Die Studie ist Teil des Projekts „THz-Kalorimetrie“, das mit einem Advanced Grant des European Research Council (ERC) ausgezeichnet wurde. „Die visionäre Idee des Projekts bestand darin, zwei leistungsstarke Techniken der physikalischen Chemie zu kombinieren – Laserspektroskopie und Kalorimetrie“, erklärt Stipendiatin Martina Havenith.
Die Kalorimetrie misst für chemische und biochemische Reaktionen grundlegende Größen wie Wärmekapazität, Enthalpie und Entropie. Anhand bekannter stoffspezifischer Parameter lässt sich vorhersagen, ob beispielsweise eine Reaktion spontan ohne Energiezufuhr von außen ablaufen wird oder ob Gleichgewichtsbedingungen vorherrschen. Kalorimetrische Messungen finden in einem makroskopischen Behälter statt. Gemessen wird die Wärmemenge, die für eine Temperaturänderung oder eine chemische oder biochemische Reaktion benötigt wird. „Die Limitation dieser Methode liegt in der begrenzten zeitlichen Auflösung und der benötigten Probenmenge“, sagt Martina Havenith.
Das Ziel des ERC-Projekts war es, diese Einschränkungen zu überwinden. Dies erforderte einen neuen Ansatz zur Messung kalorimetrischer Größen für kleinste Proben mit einer Zeitauflösung von Pikosekunden oder einem Millionstel einer Millionstel Sekunde auf molekularer Ebene. „Allerdings können wir mit diesen traditionellen Konzepten der Wärmemessung prinzipiell keine zeitliche und räumliche Auflösung in dieser Größenordnung erreichen“, erklärt der Forscher. „Das erforderte einen anderen revolutionären Ansatz, der von Natur aus einen anderen Zugang bietet.“
Wasser spielt eine entscheidende Rolle
Die Forschungsgruppe zeigte, dass spektroskopische Fingerabdrücke von Wasser durch ihre Absorption im THz-Bereich gemessen werden können, der linear mit kalorimetrischen Größen korreliert. Damit können die Forscher diese fundamentalen kalorimetrischen Größen mit spektroskopischen und ultraschnellen laserspektroskopischen Methoden auch für komplexe Systeme während eines Prozesses oder einer Reaktion in Echtzeit verfolgen.
In ihrer aktuellen Arbeit, inspiriert durch ihre Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von Professor Konstanze Winklhofer und Professor Jörg Tatzelt an der Ruhr-Universität Bochum, nutzten sie diese Methode erstmals, um ein heißes Thema in der biomedizinischen Forschung zu untersuchen: Sie untersuchten die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung , die spontane Phasentrennung in eine proteinreiche und eine proteinarme flüssige Phase.
„Mithilfe der THz-Kalorimetrie können wir die Entstehung dieser proteinreichen Tröpfchen auf molekularer Ebene abbilden. Neben den Proteinen selbst spielt auch das Wasser eine entscheidende Rolle“, berichtet Martina Havenith. „Mit der THz-Kamera können wir nun alle Veränderungen im Wasser während des Entstehungsprozesses online verfolgen. Anhand der abgeleiteten kalorimetrischen Größen können wir genaue Vorhersagen über die Bildung phasengetrennter Tröpfchen und die Abhängigkeit von äußeren Parametern wie der Temperatur treffen .“