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Das Röntgenauge erkennt alle Einzelheiten chemischer Verbindungen

Kristallographen der Freien Universität schlüsseln die Struktur von Molekülen auf / Einsatz von Teilchenbeschleunigern und moderner CCD-Technik

Die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit entwickelten vor 2500 Jahren die Vorstellung von Atomen, die sich in Größe und Gestalt unterscheiden. Wie Haken und Ösen sollten sie sich miteinander verzahnen. Heute wissen wir, daß zwar Atome keine Zacken besitzen. Moleküle jedoch, die aus vielen Atomen zusammengesetzt sind, haben mitunter Formen, die der Vorstellung der griechischen Atomisten nahekommen. Die "Taschen" von Proteinen etwa bieten Wirkstoffen in Arzneimitteln entsprechender Größe die Möglichkeit, sich darin einzunisten und das Protein zu beeinflussen.

Doch Form ist nicht alles. Zwei Moleküle passen nur dann zusammen, wenn sie neben ihrer Gestalt auch in ihren elektronischen Eigenschaften harmonieren. Forschern der FU Berlin ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Hamburg erstmals gelungen, innerhalb von nur 24 Stunden die Ladungsverteilung einer Aminosäure, des Prolins, auszumessen. Von dieser außergewöhnlich schnellen Röntgenstrukturanalyse berichtet das Team um den Kristallographen Peter Luger in der neuesten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Science" (Band 279, Seite 356). "Wofür man bislang Wochen und Monate brauchte, das geht jetzt innerhalb eines Tages", sagt FU-Forscher Luger.

Beim Rundgang durch das Labor der Kristallographen in Dahlem beleuchten metallisch glänzende Röntgenapparaturen einige Etappen auf dem Weg zur modernen CCD-Technik ("Charge-Coupled Devices") mit Flächendetektoren. Luger schreitet zunächst zurück in die 60er Jahre. "Dieses Gerät war damals das Nonplusultra in der Einkristallforschung", erzählt der heute 54jährige, der einst Lehrer hatte werden wollen und "nur durch Zufall" in der Forschung gelandet ist. "Ich hatte damals von Kristallographie eigentlich gar keine Ahnung." Der "Zufall" jedoch entpuppt sich beim Nachhaken als eine Mischung aus - Ende der 60er Jahre noch seltenen - Computerkenntnissen, einer Liebe zur angewandten Forschung und einer ausgesprochen zügigen Promotion. Luger verschwindet hinter der 60er-Jahre-Apparatur und hält plötzlich eine winzige Glasnadel zwischen den Fingern. Auf ihrer Spitze klebt, kaum sichtbar, ein einige zehntel Millimeter kleiner Kristall: ein Arzneiwirkstoff, der künftig bei Thrombose-Therapien eingesetzt werden könnte. "Das Besondere an solchen Kristallen ist, daß die Atome in ihnen periodisch angeordnet sind." Der Röntgenstrahl, der aus einem kleinen Röhrchen millimeterdick hinausschießt und auf den Kristall trifft, wird daher auf eine für die Kristallstruktur charakteristische Weise gebeugt: In manchen Raumrichtungen verstärken sich die Strahlen nach der Ablenkung am Kristall.

Solche Maxima - es gibt davon bei der vorliegenden Molekülstruktur 3000 bis 4000 - messen die Forscher rund um den Kristall herum. Von einem Computer aus dreht Luger dazu den Detektor, einen Szintillationszähler, der das Röntgenlicht in einen Elektronenstrom umwandelt, in die gewünschte Position. Bis zu 800 Reflexionspunkte kann das Gerät an einem Tag messen. Anhand der Verteilung der Strahlungsintensität läßt sich dann die geometrische Struktur des Kristalls rekonstruieren.

Doch die Form ist - wie gesagt - nicht alles. Die Forscher müssen die chemischen Verbindungen genauer kennen, um etwa Prognosen über ihre Verwendbarkeit in der Pharmazie machen zu können. Es gilt also, auch die Ladungsdichte des Kristalls zu studieren. Leider wackeln aber die Atome bei Zimmertemperatur kräftig hin und her. In Dahlem steht deshalb neben der alten Anlage noch eine neuere, die Dieter Zobel maßgeblich mit aufgebaut hat. Der Kristall ist hier in einem dicken Rohr versteckt, in dem Temperaturen von minus 250 Grad Celsius herrschen. Bei dieser Kälte zappeln selbst die Atome nicht mehr viel herum.

Noch genauer läßt sich die Molekülstruktur allerdings mit Hilfe einer stärkeren Röntgenquelle, einem Teilchenbeschleuniger am "Deutschen Elektronen-Synchrotron" in Hamburg erforschen. Hier kam zumal neue Technik zum Einsatz: Die Reflexionsmaxima des Prolins wurden nicht einzeln, hintereinander gemessen. Vielmehr benutzten die Forscher einen CCD-Detektor, der eine Vielzahl solcher Punkte zeitgleich registrieren kann und damit bis zu 30000 pro Tag.

"Erst jetzt können wir hoffen, auch große Moleküle messen zu können", sagt Luger. In Zukunft werden ihm seine Kollegen aus Südostasien, wo es Luger und seine Tochter nicht nur zu Forschungszwecken immer wieder hinzieht, daher wohl noch häufiger Wirkstoffe der Naturheilkunde zur Analyse zuschicken.