Mikrowellen unterscheiden Spiegelmoleküle

Viele chemische Verbindungen kommen in zwei spiegelbildlichen Varianten vor: Sie bestehen aus denselben Atomen, die aber gespiegelt angeordnet sind. Diese rechtshändigen beziehungsweise linkshändigen Moleküle können sich völlig unterschiedlich verhalten. Ein internationales Forscherteam hat nun ein neues Verfahren entwickelt, um sie experimentell zu unterscheiden. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie diese Woche in der Zeitschrift „Nature“.

Die links- oder rechtshändigen Varianten eines Moleküls heißen Enantiomere und sind vor allem in der Chemie von Lebewesen von Bedeutung. Im menschlichen Körper werden fast ausschließlich linkshändige Aminosäuren und rechtshändige Zucker verwendet. „Die 'falsche' Sorte einer Verbindung kann im Organismus jedoch ganz anders wirken. Im besten Fall ist sie dann unwirksam, im schlimmsten Fall sogar giftig,“ erklärt Melanie Schnell vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science, einer Kooperation des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg. Warum bestimmte Enantiomere in der Natur vorgezogen werden, ist bisher kaum geklärt.

Grafik zweier Moleküle mit spiegelbildlichem Aufbau, unterlegt mit Mikrowellen.
Rechts- und linkshändige Moleküle

Besonders für die medizinische Forschung ist es daher wichtig, die Händigkeit von solchen Molekülen bestimmen zu können und zum Beispiel gezielt nur eine Sorte herzustellen. Doch die Unterscheidung ist schwierig. Da Enantiomere aus den gleichen Atomen bestehen, verhalten sie sich zumindest physikalisch fast gleich. Am leichtesten lassen sie sich unterscheiden durch ihre Wirkung auf linear polarisiertes Licht, also auf Lichtwellen, die alle in derselben Ebene schwingen. Die eine Variante eines spiegelbildlichen Moleküls dreht diese Schwingungsebene nach links, die andere nach rechts. Diese Wirkung ist in Stoffgemischen jedoch schwer nachzuweisen, daher haben die Wissenschaftler um David Patterson von der Harvard University im US-amerikanischen Cambridge eine neue Methode entwickelt, die das Dipolmoment der Moleküle ausnutzt.

Das Dipolmoment eines Teilchens bestimmt sein Verhalten in einem elektrischen Feld. Für die beiden Enantiomere eines Moleküls ist der Betrag des Dipolmoments immer gleich groß, seine Komponenten in den drei Raumrichtungen unterscheiden sich jedoch. Um die Enantiomere zu untersuchen, müssen die Proben als Gas vorliegen. Dieses Gas wird dann in eine Kältekammer gepumpt und auf -266 Grad Celsius gekühlt. Anschließend wird es in ein elektrisches Feld eingebracht und  mit Mikrowellen einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, mit denen die Moleküle zu Rotationen angeregt werden. Die rotierenden Moleküle senden nun wiederum eigene Strahlung aus, die sich messen lässt. Die sogenannte Phase dieser Strahlung verrät den Enantiomertyp: Wenn die abgestrahlte elektromagnetische Welle bei linkshändigen Molekülen zu einem bestimmten Zeitpunkt gerade das positive Maximum erreicht hat, besitzt sie bei rechtshändigen Molekülen zur selben Zeit das Minimum, die Wellen sind also gegenläufig.


 

Bisherige Tests zeigen, dass mit dieser Methode Enantiomere klar auseinander gehalten werden können und auch in einem Gemisch lassen sich die Anteile der Enantiomertypen gut bestimmen. Die Mikrowellenfrequenz kann dabei sehr genau geregelt werden, um nur bestimmte Rotationen bei den Molekülen eines Stoffs anzuregen. Daher ließen sich prinzipiell auch Gemische aus verschiedenen Stoffen untersuchen.