Der Sauerstoff-Transporter Hämoglobin und das für die Photosynthese verantwortliche Chlorophyll sind nur schwer zu untersuchen. Daher konzentrieren sich Wiener Forscher auf einfachere "Lookalikes" der beiden wichtigen Biomoleküle, sogenannte Phthalocyanine. Bestrahlten sie diese mit grünem Licht, zeigten die Eisenatome im Zentrum der Struktur ein seltsames Verhalten.
Wie es Hämoglobin im Blut und Chlorophyll in Pflanzen gelingt, ihre Aufgaben zu erfüllen, liegt auch nach intensiver Erforschung teilweise noch im Dunkeln. Um den Geheimnissen der beiden komplexen natürlichen Moleküle ein Stück weit auf die Spur zu kommen, nahm eine internationale Forschungsgruppe die künstlichen Phthalocyanine unter die Lupe. Die molekulare Ringstruktur dieser Farbstoffe mit einem Eisenatom im Zentrum ähnelt in entscheidenden Abschnitten stark jenen von Hämoglobin oder Chlorophyll.
Der Anstoß zu dem nun im Fachjournal "Nature Communications" vorgestellten Forschungsprojekt kam von einer Gruppe der Universität Triest. In Kooperation mit dem Wiener Team um Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der Technischen Universität (TU) Wien ordneten die Wissenschafter die Phthalocyanin-Farbstoffe regelmäßig nebeneinander auf einer Oberfläche aus Graphen an. "Das hat den Vorteil, dass wir viele Moleküle gleichzeitig untersuchen können und damit viel deutlichere Messsignale bekommen", so Matteo Roiaz von der TU Wien.
Vier verschiedene Schwingungsfrequenzen
Diese erhielten die Forscher, indem sie Kohlenmonoxid(CO)-Moleküle an den Eisen-Atomen anlagern ließen. Die Schwingungen des CO-Moleküls ließen dann wiederum Rückschlüsse über den Zustand des Eisen-Atoms zu. Zum Schwingen regten die Wissenschafter das Molekül mit kurzen Laserpulsen aus infrarotem und grünem Licht an. Bei der Bestrahlung mit grünem Licht maßen sie jedoch nicht wie erwartet eine einzige Schwingungsfrequenz von Kohlenmonoxid, sondern sogar vier verschiedene. Das überraschte die Forscher, da die Eisenatome eigentlich alle identisch sind und ihre Anhängsel auch dementsprechend das gleiche Verhalten an den Tag legen sollten.
Es zeigte sich aber, dass die Moleküle die durch den speziellen Lichtpuls zugeführte Energie quasi unterschiedlich verstoffwechseln: Zuerst wechselt das Molekül vom energetischen Grundzustand in einen angeregten Zustand, wie Rupprechter im Gespräch mit der APA erklärte. "Dieser Zustand ist natürlich nicht stabil. Die Energie wird normalerweise schnell wieder abgegeben", nämlich in rund 500 Femtosekunden (Millionstel einer Milliardstel Sekunde). "Bei diesem komplizierten System fallen aber nicht alle Moleküle gleich in den ursprünglichen Grundzustand zurück, sondern können auch drei 'langlebigere' angeregte Zustände einnehmen", sagte Rupprechter.
Ähnlich wie bei phosphoreszierenden (nachleuchtenden) Zeigern einer Uhr reicht hier eine kurze Anregung, um über etwas längere Zeit für ein Leuchten zu sorgen. Im Fall der Phthalocyanine sind das trotzdem nur rund 30 Picosekunden (Billionstel Sekunden), was jedoch deutlich länger ist als die 500 Femtosekunden.
Feine Unterschiede mit Auswirkungen
Hier zeige sich also, dass sich sehr "feine Unterschiede" auf das Eisenatom und das CO-Molekül auswirken können. "Obwohl das CO immer das gleiche ist, ist es durch die Wechselwirkung mit dem Eisen und dem Ring rundherum doch ein wenig verändert", so Rupprechter. Das gelte auch für die noch komplexeren Hämoglobin- oder Chlorophyll-Moleküle. "Die weitverzweigten Protein-Äste haben einen minimalen Einfluss auf die Zustände des Metallatoms - doch dieser minimale Einfluss hat sehr wichtige Auswirkungen."
Aus technischer Sicht könnte die Beobachtung aus der Grundlagenforschung durchaus interessant sein. In der Photovoltaik geht es etwa darum, Elektronen gezielt als elektrischen Strom abfließen zu lassen. Wenn aber das System nach der Anregung mit Licht in wenigen Femtosekunden wieder in den Grundzustand zurückkehrt, bleibt dafür wenig Zeit. Bleibt ein angeregter Zustand aber etwa länger aufrecht, eröffne das vielleicht neue Möglichkeiten, so Rupprechter, der in weiterer Ferne etwa auch neue Optionen zum Einschreiben von Information in die Moleküle sieht.
Service: http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07190-1
(APA/red, Foto: APA/TU Wien)
