Ludwig-Maximilians-Universität München
print

Links und Funktionen
Sprachumschaltung

Navigationspfad


Inhaltsbereich

Biophysik

Moleküle und ihre Wohlfühl-Temperatur

München, 14.05.2014

Moleküle wandern in Flüssigkeiten auf zwei Arten. Entweder folgen sie einem Temperaturgefälle oder einer elektrischen Spannung. LMU-Physiker haben jetzt gezielt an DNA-Molekülen untersucht, wie deren negative Ladung und die Salzlösung, in der sie schwimmen, die Bewegung beeinflussen.

Foto: eugenesergeev / Fotolia.com
Foto: eugenesergeev / Fotolia.com

Folgen Moleküle einem Temperaturgradienten spricht man von Thermophorese. Bewegen sie sich aufgrund eines elektrischen Gradienten, handelt es sich um Elektrophorese. Dabei wandert jede Molekülart mit individueller Geschwindigkeit und Zielrichtung. Die einen mögen es warm, die anderen kalt, die einen zieht es zum Plus-, die anderen zum Minuspol.

Die Arbeitsgruppe von Dieter Braun, Professor für Systems Biophysics an der LMU und Mitglied der Nanonsystems Initiative Munich (NIM), hat sich auf die Erforschung der Thermophorese von Biomolekülen spezialisiert. Daraus ist unter anderem ein Start-Up Unternehmen entstanden, das eine günstige und schnelle Analysemethode für die Pharmaindustrie entwickelt hat. Im aktuellen Projekt konzentrieren sich die Biophysiker darauf, das Verhalten von DNA-Molekülen im Temperaturgradienten in verschiedenen Salzlösungen rechnerisch vorherzusagen und die Ergebnisse experimentell zu belegen. „Wir haben verschiedene Theorien vereint, warum sich die Moleküle in einem Temperaturunterschied bewegen“, erklärt Maren Reichl, Erstautorin der Arbeit. „Dabei spielen ihre Ladung, die Art und Konzentration der Salzlösung und die Umgebungstemperatur eine Rolle. Diese Einflüsse haben wir dann auch im Experiment gemessen.“

Wechselspiel der elektrischen Felder

Der Versuchsaufbau besteht aus einer nur 50 Mikrometer dünnen Glaskapillare gefüllt mit Pufferlösung und DNA-Molekülen. Sie wird über einen Laserstrahl punktuell erwärmt, sodass ein Temperaturgradient entsteht. Maren Reichl beschreibt die Analyse: „Durch ein Fluoreszenzmikroskop sehen wir, wie die mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierte DNA aus dem Heizbereich herauswandert, in der Regel zum kälteren Bereich. Wie viele Moleküle herauswandern, erkennen wir daran, wie viel weniger der Bereich leuchtet, wenn wir dort zum Beispiel um 4 Grad heizen. Da wir das Ganze als Video aufnehmen, können wir auch messen, wie schnell die Moleküle sind.“

Die Wissenschaftler stellten fest, dass zwei Einflüsse für die Bewegung der Moleküle ausschlaggebend sind: Zum einen wird die negative Ladung des DNA-Moleküls durch positive Salzionen aus der Lösung auf kleinstem Raum abgeschirmt. Dazwischen, also ganz lokal um jedes Molekül herum, existiert daher ein elektrisches Feld wie in einem Kugelkondensator. Der zweite Einfluss stammt von dem globalen elektrischen Feld, das sich mit dem Temperaturgradienten über die gesamte Flüssigkeit aufspannt. Ursache ist der sogenannte Seebeck-Effekt, der besagt, dass sich auch die Salzionen in der Lösung in kühleren oder wärmeren Bereichen ansammeln und zwar positive und negative Ionen auf unterschiedlichen Seiten. Allein durch diese Verschiebung entsteht eine kleine elektrische Spannung, die für das Wanderverhalten von Molekülen relevant ist.

Das Zusammenspiel beider elektrischer Felder erlaubt nun, den Effekt auf ein Molekül sehr genau vorherzusagen. Durch das Wechselspiel der Kräfte bewegen sich DNA-Moleküle zum Beispiel in salzreichen Lösungen meist langsamer, da viele Salzionen die Molekülladung abschirmen. Und in einer Natriumfluorid-Lösung wandern sie in der Regel langsamer als in Natriumchlorid, da hier das elektrische Feld der Salzionen die DNA zurückhält.

„Wir konnten erstmals überzeugend zeigen, dass das Nichtgleichgewichtsphänomen der Thermophorese mit lokalen Gleichgewichtsrechnungen vorhergesagt werden kann“, fasst Professor Dieter Braun zusammen. „In Zukunft möchten wir untersuchen, wie Moleküle um die begehrten Plätze im Kalten konkurrieren. Und natürlich stellt sich die Frage, warum ungeladene Moleküle wandern.“
(Phys. Rev. Lett. (2014))          nh