Forschende der Ruhr-Universität Bochum haben eine bahnbrechende Methode entwickelt: Die Terahertz (THz)-Kalorimetrie ermöglicht es ihnen, den Beitrag der Interaktion zwischen Wasser und Proteinen erstmals mit extremer zeitlicher Auflösung sichtbar zu machen. Mit dieser Technik lassen sich Änderungen fundamentaler thermodynamischer Größen wie der Solvatationsentropie und -enthalpie in Echtzeit quantifizieren, die im Zusammenhang mit biologischen Prozessen stehen.
Fundamentale biologische Vorgänge, wie die Bildung von Fibrillen – feinen, fadenförmigen Strukturen aus Protein-Filamenten, die ein wesentlicher Bestandteil von Geweben und Zellen sind –, die Proteinfaltung oder auch die Proteinaggregation als Merkmal neurologischer Erkrankungen, sind allesamt Nichtgleichgewichtsprozesse. „Das heißt, dass sie durch geringe Änderungen der äußeren Bedingungen, zum Beispiel der Temperatur, initiiert werden können“, erklärt Martina Havenith. Obwohl alle diese Prozesse in einem Lösungsmittel, hier Wasser, ablaufen, wurde die Interaktion mit dem Wasser bisher vernachlässigt.
Im Rahmen ihres Advance Grants des European Research Council zum Thema „Terahertz (THz) calorimetry“ hat Professor Martina Havenith mit ihrem Team eine innovative Methode entwickelt. Diese ermöglicht es, thermodynamische Größen, welche die Abläufe biologischer Funktionen steuern, quantitativ aus spektroskopischen Messungen abzuleiten.
© LS Physikalische Chemie II / Ruhr-Universität Bochum
Neuer Frequenzbereich erschlossen
Das Team führt dafür Messungen im Terahertz (THz)-Bereich des elektromagnetischen Spektrums durch, einem Frequenzbereich, der bisher experimentell unzugänglich war. Durch präzise spektroskopische Messungen und ein neues theoretisches Konzept konnten die Forschenden einen Zusammenhang zwischen den gewonnenen Daten und fundamentalen thermodynamischen Größen wie der Wärmekapazität oder der freien Energie herstellen.
Damit wird es erstmals möglich, in Zukunft alle Vorteile von laserspektroskopischen Methoden zu nutzen. „So können wir zum ersten Mal mit einer extremen Zeitauflösung von einem Millionstel von einer Millionstel Sekunde Thermodynamik bei chemischen Reaktionen in Echtzeit untersuchen“, unterstreicht Martina Havenith. Weiterhin ist die Vermessung in kleinsten Nanocontainern und in lokalen Hotspots für die Bildung von neurotoxischen Aggregaten erstmals möglich.
Quelle: Ruhr-Universität Bochum (06/2025)
Publikation:
Simone Pezzotti, Wanlin Chen, Fabio Novelli, Xiaoqing Yu, Claudius Hoberg, Martina Havenith: Terahertz Calorimetry Spotlights the Role of Water in Biological Processes, in: Nature Reviews Chemistry, 2025, DOI: 10.1038/s41570-025-00712-8
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