Mit einer neuen Technik können Forscher Wassermoleküle in Bewegung beobachten. Dadurch wird endlich klar, was die unscheinbare Flüssigkeit so besonders macht.
Der Mensch besteht zu gut 60 Prozent aus Wasser. Vögel bringen es auf 75 Prozent, Äpfel und Birnen auf 85 Prozent und Gurken, Tomaten und Quallen sogar auf 98 Prozent. Was macht das viele Wasser in den Organismen? Beim Menschen füllt ein Teil davon den Magen oder fließt durch die Adern. Das meiste Wasser aber befindet sich innerhalb der Körperzellen. „In den Lehrbüchern ist das Wasser nur der Stoff, der zur Seite weicht, wenn die eigentlichen Stars des Zellgeschehens, die Proteine, auftreten”, sagt Martina Havenith-Newen, Professorin für Physikalische Chemie an der Ruhr-Universität Bochum. Doch sie ist überzeugt: Die Lehrbücher müssen bald umgeschrieben werden. Denn Wasser ist nicht nur das universale Lösungsmittel, das die Lücken zwischen den wichtigen Teilen der Zellmaschinerie füllt, sondern es ist ein aktiver Mitspieler.
Die wichtigste Eigenschaft des Wassers für die Zelle ist seine Netzstruktur. Ein Wassermolekül, das aus einem Atom Sauerstoff und zwei Atomen Wasserstoff besteht, bildet bis zu vier schwache Bindungen, sogenannte Wasserstoffbrücken, zu seinen Nachbarn aus. Allerdings nur vorübergehend: Bei Zimmertemperatur brechen die Wasserstoffbrücken etwa einmal pro Pikosekunde (billi- onstel Sekunde) auf. Dann dreht sich das Wassermolekül ein wenig und schlägt neue Brücken zu anderen Nachbarn. Wenn die Temperatur sinkt, verlangsamt sich diese Bewegung.
Moleküle in der Disco
„Das kann man sich vorstellen wie in der Disco”, sagt Havenith-Newen. „Man tanzt mit jemandem, dreht sich dann ein wenig und tanzt mit jemand anderem. Obwohl man ständig in Bewegung ist, tanzt man die meiste Zeit mit einem anderen zusammen.”
Bei starren Wasserstoffbrücken wäre die Zelle wie eingefroren. Wären die Brücken dagegen noch flexibler, geriete das ganze komplexe System in Unordnung. Diese Fähigkeit, das Zellgeschehen gerade so im Gleichgewicht zu halten, dass es schnell von einem Zustand in einen anderen wechseln kann, macht das Wasser für das Leben unverzichtbar. Bislang hatten Forscher keine Möglichkeit, den „Tanz des Wassers” direkt zu beobachten. Veränderungen von Wasserstoffbrücken im Pikosekundentakt – das entspricht einer Frequenz im Terahertz-Bereich – zu messen, war nicht möglich. Optische Strahlungsquellen wie Laser funktionierten nur bis in den mittleren Infrarotbereich (12 bis 120 Terahertz), elektronische Strahlungsquellen reichen von Megahertz wie beim Radio, bis zu Mikrowellen (1 bis 300 Gigahertz). Zwischen Infrarot und Mikrowellen klaffte die „Terahertz-Lücke”. Für diesen Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums war lange weder Strahlungsquelle noch Detektor verfügbar. Und genau dort spielt sich der Tanz des Wassers ab.
Martina Havenith-Newen und ihre Arbeitsgruppe haben in Bochum jetzt eine Methode mit dem komplizierten Namen „Kinetische Terahertz-Absorptionsspektroskopie”, kurz KITA, entwickelt. Sie beruht auf ultrakurzen Laserpulsen. Mit KITA kann man das Wasser beim Tanzen beobachten – „zusehen” wäre allerdings übertrieben: Was man sieht, sind Signale auf dem Bildschirm eines Detektors. Sie zeigen an, wie viel der mit den Laserpulsen ausgesandten Strahlung vom Wasser absorbiert wird. Daraus wiederum können die Forscher auf die Geschwindigkeit schließen, mit der die Wassermoleküle tanzen.
Mit KITA stellten die Bochumer Forscher fest, dass es in der Zelle tatsächlich zugeht wie in einer Disco: Es gibt gemächlichere und wildere Tänzer, und es gibt Langweiler, die den ganzen Abend in der Ecke sitzen. Die Tanzfläche ist allerdings knapp bemessen, denn die Zelle ist so sehr mit Biomolekülen angefüllt – Enzymen, Hormonen, Salzen, Fettsäuren und Zuckern beispielsweise –, dass dazwischen gerade genug Platz für drei oder vier Schichten von Wassermolekülen ist. Mit KITA konnten die Forscher zeigen, dass Proteine und Wassermoleküle aneinander gekoppelt sind. Die tanzenden Moleküle „treten” gegen die Proteine, diese wiederum bremsen die Tänzer aus. Das geschieht nicht überall gleich stark – und genau diese Unterschiede sind wichtig, besonders für Enzyme, die eine bedeutende Rolle im Stoffwechsel spielen: Sie stoßen chemische Reaktionen an oder beschleunigen sie. Dazu müssen genau definierte Stoffe – Chemiker sprechen von Substraten – im aktiven Zentrum der Enzyme andocken.
Die neue Methode brachte ans Licht, dass die Bewegung des Wassers nicht gleichförmig um das Enzym verteilt ist (siehe Grafik rechts): In der Nähe des aktiven Zentrums tanzt das Wasser besonders langsam. „Das bedeutet, dass das Substrat wahrscheinlich nicht zufällig an der richtigen Stelle landet, sondern dort andockt wie im ruhigen Wasser eines Hafenbeckens”, erklärt Martina Havenith-Newen.
„Dieses fein abgestimmte Wechselspiel zwischen dem Wasser und den Biomolekülen in der Zelle macht Leben erst möglich”, sagt der englische Physiker und Wissenschaftsjournalist Philip Ball. Es gibt keine andere Flüssigkeit mit solchen Eigenschaften. Nur in der Umgebung des Wassers nehmen die Pro- teine ihre typische dreidimensionale Struktur ein. Wassermoleküle können die Spezifität von Proteinen beeinflussen: Sie ermöglichen zum Beispiel, dass mehrere unterschiedliche Substrate an ein Enzym andocken können, indem sie die Lücken zum Protein füllen und so für eine gute Passung des jeweiligen Stoffs sorgen.
Michelle Sahai und Philip Biggin, Bioinformatiker an der Universität Oxford, fanden heraus, dass Wassermoleküle auch umgekehrt die Proteine besonders wählerisch machen können: Dann entscheidet sich durch die Position eines Wassermoleküls, dass etwa der Neurotransmitter Glutamat, nicht aber sein synthetischer Ersatz akzeptiert wird. „Wassermoleküle kann man sich wie kleine Legosteine vorstellen, die sich in bestimmter Weise zusammenstecken lassen”, erläutert Philip Ball.
Frostschutz-Protein Hält Rekord
Alles, was sich im Wasser befindet, verändert dessen Netzstruktur. Das gilt für einen Löffel Zucker oder Salz, den man in einem Wasserglas verrührt, ebenso wie für in der Zelle gelöste Stoffe und erst recht für große Biomoleküle wie die Proteine. Der Einfluss der Biomoleküle auf das Wasser beschränkt sich nicht auf ihre unmittelbare Umgebung, sondern reicht weit darüber hinaus – so weit, dass es in der dicht gepackten Zelle gar kein unbeeinflusstes Wasser gibt. Funktionsfähige Proteine, so stellten die Bochumer Forscher fest, können Wassermoleküle am besten ausbremsen, denaturierte oder mutierte Moleküle sind weniger effektiv. „Das ist ein Hinweis auf eine evolutionäre Optimierung”, meint Martina Havenith-Newen.
Den Rekord beim Manipulieren des Wassers hält ein Frostschutz-Protein: Das Blut antarktischer Fische müsste eigentlich bei 0,9 Grad gefrieren. Tatsächlich aber überleben die Tiere tiefere Temperaturen – dank eines Frostschutz-Proteins, das Hunderte Male so wirksam ist wie das Frostschutzmittel im Auto. Bislang dachten die Forscher, dass die Aminosäure Threonin die Bildung von Eiskristallen verhindert. Doch wenn man Threonin durch eine andere Amnosäure ersetzt, kann der Frostschutz genauso gut funktionieren. Mit KITA konnten die Forscher zeigen, dass das Protein das Wassernetzwerk über 2,7 Nanometer hinweg beeinflussen kann. Das ist zwar eine winzige Entfernung, aber immer noch zehnmal so groß wie die Reichweite anderer Proteine. Und das Frostschutz-Protein ist – anders als die meisten anderen Proteine – am effektivsten, wenn die Temperatur nahe am Gefrierpunkt liegt.
Für einen so potenten Frostschutz gäbe es zahlreiche Anwendungen, etwa beim Tiefkühlen von Spenderorganen, in denen sich keine Eiskristalle bilden dürfen. Das Enzym aus dem Fisch zu isolieren, ist aber sehr teuer. Und um es synthetisieren zu können, müsste man es erst einmal genau verstehen. Dazu simulieren die Bochumer Forscher das Verhalten von Tausenden von Wasserteilchen rund um ein Enzym in leistungsfähigen Rechnern. „ Unser Ziel ist es, die Interaktion der Moleküle mit den Lösungsmitteln in einer vereinheitlichten Theorie zu verstehen”, sagt Martina Havenith-Newen. „Sie soll uns ermöglichen vorauszusagen, wie sich welches Lösungsmittel auf einen chemischen Prozess auswirkt.”
Alzheimer besser verstehen
Eine solche Theorie könnte viele Bereiche voranbringen, in denen die Forschung in den letzten Jahren ins Stocken geraten ist. So ist zum Beispiel auf molekularer Ebene noch nicht verstanden, wie der Ladungsfluss in einer Batterie funktioniert oder warum und unter welchen Voraussetzungen sich die für Alzheimer typischen Plaques im Gehirn bilden. Man weiß zwar schon lange, dass Temperatur und Säuregehalt einer Lösung die Faltung und die Funktion der Proteine beeinflussen. Wie die Moleküle ihre dreidimensionale Struktur genau finden, ist hingegen noch unklar.
Erst wenn die Forscher diese Prozesse verstanden haben, können sie auch darüber nachdenken, sie zu optimieren. Das Leben ist im Wasser entstanden – und mithilfe der Terahertz-Spektroskopie beginnen die Forscher allmählich zu begreifen, was das bedeutet. ■
MANUELA LENZEN ist Philosophin und Wissenschaftsjournalistin. Sie interessiert sich für die Geheimnisse der scheinbar einfachen Dinge.
von Manuela Lenzen
