Neue Methode der Kraftspektroskopie

Neuartige Methode der Kraftspektroskopie mit hohem Anwendungspotential

Spektroskopische Untersuchungen liefern Informationen über die chemische Struktur von Molekülen und über molekulare Bewegungen wie Drehungen und Schwingungen. Die elektromagnetische Anregung zu untersuchender Moleküle geht jedoch häufig mit einer Änderung des Quantenzustands und der Zerstörung von chemischen Bindungen einher. Das Forschungsteam um Prof. Dr. Stefan Willitsch von der Universität Basel hat nun eine neue spektroskopische Methode entwickelt, bei der ein einzelnes Molekül auf indirektem Weg untersucht wird, ohne dass es selbst dabei zerstört oder sein Quantenzustand geändert wird. Hierfür wird das Molekül – im Beispiel der Wissenschaftler ein geladenes Stickstoff-Molekül – zusammen mit einem geladenen Fremdatom (hier: ein Kalzium Kation) in einer Radiofrequenz-Falle eingefangen und bis nahe an den absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt. Anschließend üben zwei gebündelte Laserstrahlen in Form eines optischen Gitters Kraft auf das Molekül aus. Eine Bewegung des Gitters führt dazu, dass das Molekül anfängt, in der Falle zu schwingen, und zwar umso mehr, je stärker die optische Kraft wirkt. Diese Bewegung überträgt sich auf das benachbarte Kalzium-Atom und kann dort detektiert werden. Diese neue Methode der Kraftspektroskopie ermöglicht somit die gleiche Informationsgewinnung wie bei gängigen Spektroskopiemethoden, allerdings kann die Messung beliebig oft an ein und demselben Molekül und mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden. Aus der Sicht der Wissenschaftler ermöglicht die gesteigerte Präzision dieser neuartigen Messmethode zukünftig eine Vielzahl an potentiellen Anwendungsmöglichkeiten. In der Theorie könnte beispielsweise die tatsächliche Konstanz von Naturkonstanten hinterfragt werden. Als praktische Anwendungen wären der Bau einer extrem präzisen molekularen Uhr denkbar – oder der Einsatz von Molekülen als Bausteine eines Quantencomputers. Bild: Ein geladenes Stickstoffmolekül wird von einem Kalzium-Kation in einem optischen Gitter indirekt und ohne Änderung des Quantenzustands ausgelesen (Quelle: Universität Basel, Departement Chemie).

DOI: 10.1126/science.aaz9837

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  • 11.12.2020 - 15.12.2020

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  • 24.12.2020 - 25.12.2020

    International Conference on Computational Cell Biology
    Konferenz wird virtuell durchgeführt

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Während in der klassischen Mikroskopie die Zellen fixiert werden müssen, was Zerstörungen und Artefakte mit sich bringt, können mit Fluoreszenz-basierten Mikroskopiemethoden, z. B. der laser scanning-Mikroskopie, lebende Zellen viel realistischer beobachtet werden. Dabei wird der Erkenntnisgewinn enorm erweitert, da nicht nur eine exakte Lokalisation von spezifischen Proteinen oder Nukleinsäuren in der Zelle bestimmt werden kann, sondern auch deren Bewegungen und Interaktionen in einer intakten, lebenden Zelle. Durch die resolution Evolution, bei der die Auflösungsgrenze drastisch nach unten verschoben wurde, z. B. mit der stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM), können sogar einzelne Moleküle in lebenden Zellen erfasst werden. Jan Schlegel und Markus Sauer zeigen in ihrem Beitrag, wie man mit der 3D-Gitter-Lichtblatt-dStorm-Technologie die Verteilung des Adhäsionsrezeptors CD56 in der Plasmamembran visualisieren kann. Anne Schlaitz wendet die konfokale laser scanning-Methode an, um in lebenden Zellen die Dynamik des ERs während der Mitose zu erforschen. Tobias Becker und Pavel Kielkowski stellen in ihrem Artikel eine Pronukleotid-Sonde für das in situ fluorescence Imaging zur Identifizierung und Beobachtung von AMPylierten Proteinen vor. Hintergrundbild: Sich teilende HeLa-Zellen unter dem Lichtmikroskop. Chromosomen im Zellnukleus (lila), Mikrotubuli im Zellskelett (Tubulin, grün) und Aktin (rot) sind erkennbar. Bild: Kevin Mackenzie, University of Aberdeen, Wellcome Collection, https://wellcomecollection.org/works/vjq5c26rCC unter der Lizenz BY 4.0, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0.

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