Zerstörungsfreie Untersuchung

Die Tatsache, dass Neutronen im Vergleich zu Röntgenstrahlen etc. eine besonders sensitive Untersuchungsmethode darstellen, findet ihren Ursprung darin, dass es sich um elektrisch neutrale Teilchen handelt, welche in Folge dessen innerhalb der Probe kaum Veränderungen bewirken. Schließlich ist es leicht vorstellbar, dass eine unschuldige Probe, unter Beschuss von Elektronen (wie beispielsweise bei der Röntgenspektroskopie), schwerwiegende Änderungen in ihrer molekularen Struktur kaum zu verhindern weiß. Sie wird sozusagen von den negativ geladenen Teilchen "zerschossen". Neutronen hingegen richten aufgrund ihrer Neutralität kaum Schaden an, was sie auch zur Untersuchung labiler biologischer Strukturen (Bsp. Membran) nutzbar macht.

Neutronenforschung und biologische Membranen

Versuchsaufbau in der Membranforschung

Zur Beobachtung der Lipiderkennung wird das Zielprotein auf der festkörpergestützten Membran immobilisiert. Dieses stützende Polymer muss in der Lage sein Integrität und Funktion der Membran zu erhalten. Das Testprotein wird aus der umgebenen Lösung durch Titration zugeführt und währenddessen die Änderung der Reflexivität für die Neutronen gemessen. Die Neutronen treffen von oben streifend auf den schichtartig aufgebauten Film und werden an jeder Grenzschicht reflektiert und gestreut. Die Analyse der Richtungsverteilung der austretenden Neutronen liefert Informationen über die zwischen Ziel- und Testprotein ablaufenden Vorgänge, indem sie Bewegungen und Position der Proteine aufzeichnet.

Beispiel: Bakteriorhodopsin

So gelang es beispielsweise einem Jülicher Forschungsteam, die Funktionsweise des Proteins Bakteriorhodopsin näher zu beleuchten. Es ist ein in Bakterien vorkommender Verwandter des menschlichen Proteins Rhodopsin, welches den Aufbau der elektrischen Impulse im Sehnerv auslöst. Man stellte fest, dass die bisherige Theorie (Bakteriorhodopsin sei ein "starres" Kanalprotein, das nur durch die Bewegung des Retinals geöffnet werde) unzutreffend ist. Im Versuch wurde Wasser mit schweren Wasserstoffkernen angereichert (deuteriert). Überraschenderweise zeigt das durch die Neutronenstreuung gewonnene Bild Bewegungen des Proteins und Änderungen in der dreidimensionalen Faltung von dessen Eiweißkette.

In der Membranforschung hofft man mit der Neutronenbeugung grundlegendes Wissen für die Entwicklung von Biosensoren zu erhalten.

Zukunftsperspektiven

• Bau intelligenter Biosensoren auf miniaturisierten Halbleitern zum Nachweis der Bindung und damit der Wirksamkeit von Medikamenten auf Zielmoleküle oder zum Nachweis von Antikörpern oder Rauschgiften im Blut Man versucht sich lebendes Material als eine Art Messgerät nutzbar zu machen. Gelänge es Zellen oder nur deren Membranen mit beispielsweise Antikörper-spezifischen Rezeptoren so zu präparieren, dass sie auf einem Halbleiter überleben, über den die, durch eine Rezeptoraktivierung ausgelösten, elektrischen Potentiale messbar abgeleitet werden, könnte man durch einen solchen Biosensor aufwendige Laborverfahren umgehen.
• Störungsfreie Immobilisierung von Zellen auf Mikrochips und deren Einsatz als Indikator toxischer Substanzen Ähnlich wie im Vorangehenden erklärt, will man auch hier biologisches Material als Messgerät nutzen. Der Unterschied liegt darin, dass man hier hauptsächlich Stoffe in der Luft, in Böden etc. nachweisen möchte.
• Bau miniaturisierter biochemischer Fabriken, beispielsweise verdauende Enzyme zum Abbau zellschädigender Stoffe oder Biosyntheseapparate zur lokalen Produktion von Wirkstoffen im Gewebe (z.B. Insulin, Faktor VIII)
• Man ist bemüht sich Zellorganellen so nutzbar zu machen, dass durch speziell programmierte Enzyme oder Proteine krankheitsbedingte Giftstoffe abgebaut oder lebensnotwendige Medikamente variabel dosiert synthetisiert werden können.
• Herstellung von Imitaten der Gewebeoberfläche zur Stimulation des Zellwachstums und der Gewebeneubildung (z.B. Hauttransplantate)Um künstliche Gewebe zu erzeugen, die in der Lage sind, natürlich gewachsenes Gewebe in den wichtigen Funktionen zu ersetzen, will man die jeweilige Vorlage mit Hilfe von Neutronenstreuung untersuchen.

Spezifische Vorhaben der Wissenschaftler sind die Erforschung...

• der Wechselwirkungen zwischen der Lipiddoppelschicht der Zellwand(siehe Bild) und Peptiden.
• der Struktur der Lipidmembran auf molekularer Ebene. So erwartet man Ergebnisse über deren vertikales Profil, die Dicke der Schichten, so wie über die Oberflächenstruktur des Zwischenraumes der beiden Schichten.
• und der Wirkungsweise von Medikamenten auf die Membran von verschiedenen Organismen, wie beispielsweise bei Mensch und Bakterium (neue Antibiotika).