Forscher fangen Protonen beim Dissoziieren mit ultraschneller „Elektronenkamera“ ein

Wissenschaftler haben sich schnell bewegende Wasserstoffatome – den Schlüssel zu unzähligen biologischen und chemischen Reaktionen – in Aktion erwischt.

Ein Team unter der Leitung von Forschern des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und der Stanford University nutzte ultraschnelle Elektronenbeugung (UED), um die Bewegung von Wasserstoffatomen innerhalb von Ammoniakmolekülen aufzuzeichnen. Andere hatten die Theorie aufgestellt, dass sie Wasserstoffatome mit Elektronenbeugung verfolgen könnten, aber bis jetzt hatte niemand das Experiment erfolgreich durchgeführt.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungnutzen die Stärke hochenergetischer Megaelektronenvolt-Elektronen (MeV), um Wasserstoffatome und Protonentransfers zu untersuchen, bei denen sich das einzelne Proton, aus dem der Kern eines Wasserstoffatoms besteht, von einem Molekül zum anderen bewegt.

Protonentransfers treiben unzählige Reaktionen in Biologie und Chemie an – man denke an Enzyme, die dabei helfen, biochemische Reaktionen zu katalysieren, und Protonenpumpen, die für Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, unerlässlich sind – daher wäre es hilfreich, genau zu wissen, wie sich ihre Struktur während dieser Reaktionen entwickelt. Aber Protonentransfers erfolgen superschnell – innerhalb weniger Femtosekunden, einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Es ist eine Herausforderung, sie in Aktion zu erwischen.

Eine Möglichkeit besteht darin, Röntgenstrahlen auf ein Molekül zu schießen und dann die gestreuten Röntgenstrahlen zu nutzen, um mehr über die Struktur des Moleküls während seiner Entwicklung zu erfahren. Leider interagieren Röntgenstrahlen nur mit Elektronen – nicht mit Atomkernen – und sind daher nicht die empfindlichste Methode.

Um die gesuchten Antworten zu finden, setzte ein Team unter der Leitung des SLAC-Wissenschaftlers Thomas Wolf MeV-UED ein, die ultraschnelle Elektronenbeugungskamera des SLAC. Sie verwendeten Ammoniak in der Gasphase, bei dem drei Wasserstoffatome an ein Stickstoffatom gebunden sind. Das Team bestrahlte Ammoniak mit ultraviolettem Licht, wodurch eine der Wasserstoff-Stickstoff-Bindungen dissoziierte oder aufbrach, dann feuerte es einen Elektronenstrahl hindurch und fing die gebeugten Elektronen ein.

Sie fingen nicht nur Signale von der Abspaltung des Wasserstoffs vom Stickstoffkern auf, sondern auch die damit verbundene Veränderung in der Struktur des Moleküls. Darüber hinaus schossen die gestreuten Elektronen in unterschiedlichen Winkeln ab und konnten so die beiden Signale trennen.

„Es ist äußerst nützlich, im selben Experiment etwas zu haben, das empfindlich auf Elektronen und etwas reagiert, das empfindlich auf Kerne reagiert“, sagte Wolf. „Wenn wir sehen können, was zuerst passiert, wenn ein Atom dissoziiert – ob die Kerne oder die Elektronen den ersten Schritt zur Trennung machen –, können wir Fragen darüber beantworten, wie Dissoziationsreaktionen ablaufen.“

Mit diesen Informationen könnten Wissenschaftler dem schwer fassbaren Mechanismus des Protonentransfers näher kommen, was zur Beantwortung unzähliger Fragen in Chemie und Biologie beitragen könnte. Zu wissen, was Protonen tun, könnte wichtige Auswirkungen auf die Strukturbiologie haben, wo herkömmliche Methoden wie Röntgenkristallographie und Kryo-Elektronenmikroskopie Schwierigkeiten haben, Protonen zu „sehen“.

In Zukunft wird die Gruppe das gleiche Experiment mit Röntgenstrahlen am Röntgenlaser des SLAC, der Linac Coherent Light Source (LCLS), durchführen, um zu sehen, wie unterschiedlich die Ergebnisse sind. Sie hoffen außerdem, die Intensität des Elektronenstrahls zu erhöhen und die Zeitauflösung des Experiments zu verbessern, sodass sie tatsächlich einzelne Schritte der Protonendissoziation über die Zeit auflösen können.