Wissenschaftler der University of Rochester haben eine Methode ersonnen, mit der sie die Ausrichtung der Nord- und Südpole eines Moleküls bestimmen können. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Physical Review Letters berichten, lenken die Pole die Interaktionen eines Moleküls mit möglichen Partnern. Anhand eines eng fokussierten Lasers können sie eine neue Polarisation des Lichts erzeugen und darüber dreidimensionale Bilder der Moleküle entstehen lassen.
Die neue Methode erstellt einen Schnappschuss des so genannten molekularen Dipolmoments. Dabei handelt es sich um eine Achse, die wie ein Nord- und Südpol durch das Molekül verläuft. und entlang der Energie abgegeben oder aufgenommen wird. “Indem wir die Dipolbewegung bestimmter Moleküle sichtbar machen, können wir genau beobachten, wie bestimmte chemische Reaktionen ablaufen”, erläutert Lukas Novotny von der University of Rochester die Methode.
Um etwa den trickreichen Faltungsprozess der Proteine während und nach ihrer Entstehung verfolgen zu können, heftete das Team an beide Enden des Moleküls einen leicht zu beobachtenden Farbstoff. Während eine Seite grün leuchtete, emittierte das gegenüberliegende Ende nach Stimulation rotes Licht. Kommen beide Enden während des Faltungsprozesses zusammen, überträgt ein Ende seine Energie auf das andere, das nun entsprechend aufleuchtet.
Wann dieser Energieaustausch stattfindet, hängt wiederum von der Entfernung beider Pole und ihrer Orientierung ab. Wenn zwei Moleküle so positioniert sind, dass ihre Pole in die gleiche Richtung zeigen, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sie Energie untereinander austauschen. Sind sie hingegen anders gepolt, ist eine Interaktion schwieriger. Die Forscher hoffen, eine Tages die Ausrichtung kontrollieren zu können, um darüber chemische Reaktionen auf der Atomebene dirigieren zu können.
Um den Nordpol eines Atoms sichtbar zu machen, entwickelte der Physiker Thomas Brown eine neue Klasse von Lichtpolarisation. Indem er einen regulären planaren Laserstrahl in strahlenförmig polarisiertes Licht umwandelte und den Laserstrahl eng fokussierte, konnte er ein kleines elektrisches Feld kreieren, das in allen drei Dimensionen gleich stark ist. Anschließend schickte er den Strahl entlang des Moleküls in allen Richtungen, bis er an den Nord- oder Südpol traf und das Atom die Energie absorbierte und entsprechend farbig aufleuchtete. Durch Aufleuchten der Fluoreszenz konnten die Forscher exakt die Orientierung des Pols bestimmen.
Die Zukunft der Methode sieht Novotny sowohl in der Aufschlüsselung der Zellkommunikation, als auch in der möglichen Anwendung im Computerbereich. Denn die Orientierung des Dipolmoments könnte für eine Eins oder für Null stehen und somit Daten speichern.
Dr. Dagmar Knopf
