<\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure><\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure><\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure><\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure><\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure><\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure><\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure><\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure><\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure><\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure><\/a>\n\t\t\t<\/div><\/figure>\n\t\t<\/div>\n\nDie \u00bbReaktionsmikroskope\u00ab, mit denen diese Messungen f\u00fcr Molek\u00fclfragmente m\u00f6glich sind, wurden am Institut f\u00fcr Kernphysik der Goethe-Universit\u00e4t entwickelt und sind unter dem Namen COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) mittlerweile in Laboren weltweit im Einsatz [1]. Im Gegensatz zu bekannteren Abbildungsmethoden mit atomarer Aufl\u00f6sung wie Rastertunnel- oder Rasterelektronenmikroskopen lassen sich hier individuelle Molek\u00fcle untersuchen, die in einem Molek\u00fclstrahl auftreten und nicht auf eine Tr\u00e4gersubstanz aufgebracht werden m\u00fcssen. Nachdem viele Jahre nur sehr einfache Molek\u00fcle wie Stickstoff (N2) oder Wasser (H2O) untersucht werden konnten, ist die Technik mittlerweile auch auf komplexere Molek\u00fcle ausgedehnt worden.<\/p>\n
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Auf den Punkt gebracht<\/h3>\n\n- Sieben der zehn h\u00e4ufigsten Medikamente enthalten chirale Wirkstoffe \u2013 Molek\u00fcle, die in rechts- und linksh\u00e4ndiger Form auftreten k\u00f6nnen. Ihre Wirkung im K\u00f6rper h\u00e4ngt entscheidend von der H\u00e4ndigkeit ab.<\/li>\n
- Mit der Methode des Coulomb Explosion Imaging l\u00e4sst sich die H\u00e4ndigkeit einzelner Molek\u00fcle bestimmen. Diese Methode ist hochpr\u00e4zise, wurde aber bisher nur f\u00fcr einfache Strukturen erprobt.<\/li>\n<\/ul>\n
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Rechts- und linksh\u00e4ndige Molek\u00fcle unterscheiden<\/h3>\n
Eine interessante Anwendung, die k\u00fcrzlich von unserer Arbeitsgruppe demonstriert wurde, besteht darin, chirale Molek\u00fcle zu unterscheiden und ihre mikroskopische Konfiguration zu bestimmen. In der Chemie wird ein Molek\u00fcl als chiral bezeichnet, wenn es in zwei Formen vorkommt, deren geometrische Strukturen sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Der Prototyp f\u00fcr diese Art von Symmetrie sind unsere H\u00e4nde \u2013 daher der Begriff \u00bbchiral\u00ab, der aus dem griechischen Wort f\u00fcr Hand abgeleitet ist.<\/p>\n
Wenn zwei chirale Molek\u00fcle miteinander wechselwirken, spielt ihre jeweilige H\u00e4ndigkeit eine entscheidende Rolle \u2013 was sofort einleuchtet, wenn man sich als Analogie den Handschlag zweier Menschen zur Begr\u00fc\u00dfung vorstellt: Seinem Gespr\u00e4chspartner spontan die linke Hand zu reichen, wird aller Voraussicht nach eine andere Reaktion hervorrufen, als die gewohnte rechte anzubieten.<\/p>\n
Die Mehrzahl der biologisch relevanten Molek\u00fcle ist h\u00e4ndig, beispielsweise viele Zucker und fast alle nat\u00fcrlich vorkommenden Aminos\u00e4uren. Auch unser K\u00f6rper ist aus vielen chiralen Bausteinen aufgebaut. Somit reagieren Bild und Spiegelbild eines Molek\u00fcls unterschiedlich mit unserem Organismus \u2013 dies macht sich bei Geruchsstoffen, aber auch bei vielen Medikamenten bemerkbar. Sieben der zehn h\u00e4ufigsten Medikamente enthalten chirale Wirkstoffe; im Sinne der Arzneimittelsicherheit ist es deshalb w\u00fcnschenswert, diese Wirkstoffe ausschlie\u00dflich in der richtigen H\u00e4ndigkeit zu verabreichen. Die Unterscheidung der rechts- und linksh\u00e4ndigen Variante eines Molek\u00fcls ist daher von gro\u00dfem Interesse in der Pharmazie und in der Biochemie.<\/p>\n
Methoden, um die beiden H\u00e4ndigkeiten durch Wechselwirkung mit polarisierter Strahlung oder durch eine Abfolge chemischer Reaktionen zu unterscheiden, gibt es zuhauf. Allerdings messen diese Techniken nur makroskopische Effekte, die von einer Vielzahl von Molek\u00fclen \u00a0herr\u00fchren; die Bestimmung der mikroskopischen Anordnung der Atome im Molek\u00fcl selbst (Absolutkonfiguration) ist meist nur indirekt m\u00f6glich \u2013 entweder mithilfe aufwendiger Rechnungen oder durch chemische Reaktionen mit Stoffen bekannter H\u00e4ndigkeit. Zudem kann die Reinheit der Probe nur aus der St\u00e4rke des gemessenen Effekts bestimmt werden, f\u00fcr den wiederum eine Kalibrierung bei bekannter Konzentration notwendig ist.<\/p>\n
Einzelne chirale Molek\u00fcle im Fokus<\/h3>\n
F\u00fcr diese Probleme bietet das \u00bbExplosionsmikroskop \u00ab eine elegante L\u00f6sung. Wir konnten mit unserer Arbeit [2] zeigen, dass das einfachste chirale Molek\u00fcl CHBrClF (Abb. 3) mithilfe der oben beschriebenen Laserpulse in seine f\u00fcnf atomaren Bestandteile zerlegt werden kann. Diese fliegen in einer Explosion auseinander; die Impulse k\u00f6nnen mithilfe des COLTRIMS-Reaktionsmikroskops gemessen werden.<\/p>\n
Da die Atome n\u00e4herungsweise in Richtung der Bindungsachsen auseinanderfliegen, l\u00e4sst sich aus diesen Impulsen f\u00fcr jedes Molek\u00fcl eindeutig bestimmen, ob es sich um die rechts- oder linksh\u00e4ndige Variante handelt. Damit er\u00f6ffnet sich die M\u00f6glichkeit, die Konfiguration exakt zu bestimmen. Auch zur Analyseder Reinheit ist diese Methode geeignet: Da die H\u00e4ndigkeit f\u00fcr einzelne Molek\u00fcle gemessen wird, muss nur die Anzahl der rechts- und linksh\u00e4ndigen Molek\u00fcle verglichen werden, um eine zuverl\u00e4ssige Aussage \u00fcber den jeweiligen Anteil zu erhalten.<\/p>\n
Entscheidend im Hinblick auf eine zuk\u00fcnftige Anwendung als Analysemethode ist die Frage, inwieweit sich die Explosion und die Messung der Fragmente auf komplexere Molek\u00fcle ausdehnen lassen. Hierzu haben wir bereits erste Experimente an gr\u00f6\u00dferen Molek\u00fclen durchgef\u00fchrt, die eine Bestimmung der Absolutkonfiguration aussichtsreich erscheinen lassen.<\/p>\n
Die mit diesen Arbeiten gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur f\u00fcr zuk\u00fcnftige Anwendungen, sondern auch f\u00fcr die Grundlagenforschung von Relevanz: Die Analyse der Fragmentationsprozesse erm\u00f6glicht ein besseres Verst\u00e4ndnis der Unterschiede zwischen rechts- und linksh\u00e4ndigen Molek\u00fclen auf quantenphysikalischer Ebene. Die Untersuchung
\neinzelner chiraler Molek\u00fcle k\u00f6nnte somit zu einem Werkzeug werden, um fundamentale Symmetrieeigenschaften der physikalischen Gesetze zu untersuchen, die die Welt der Molek\u00fcle und damit viele lebenswichtige Prozesse beschreiben.<\/p>\n
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Die Autoren<\/h4>\n![\"Markus](\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2016\/01\/blog_ff-sch\u00f6ffler-d\u00f6rner-pitzer-300x214.jpg\")
<\/a>Markus Sch\u00f6ffler, Reinhard D\u00f6rner und Martin Pitzer. Foto: U. Dettmar.<\/figcaption><\/figure>\nDr. Markus Sch\u00f6ffler<\/strong>, Jahrgang 1978, studierte Physik an der Goethe-Universit\u00e4t. Mit einem Feodor-Lynen-Stipendium der Humboldt-Stiftung ging er zuerst an die Advanced Light Source in Berkeley und f\u00fcr ein weiteres Postdoktorat an die Technische Universit\u00e4t Wien. Ende 2011 kehrte er zur\u00fcck nach Frankfurt und widmet sich seither vor allem der Erforschung chiraler Systeme mithilfe von Reaktionsmikroskopen. Seine Arbeiten wurden 2014 mit dem Adolf-Messer-Stiftungspreis ausgezeichnet.
\nschoeffler@atom.uni-frankfurt.de<\/p>\n
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Rechts- und linksh\u00e4ndige Molek\u00fcle unterscheiden<\/h3>\n
Eine interessante Anwendung, die k\u00fcrzlich von unserer Arbeitsgruppe demonstriert wurde, besteht darin, chirale Molek\u00fcle zu unterscheiden und ihre mikroskopische Konfiguration zu bestimmen. In der Chemie wird ein Molek\u00fcl als chiral bezeichnet, wenn es in zwei Formen vorkommt, deren geometrische Strukturen sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Der Prototyp f\u00fcr diese Art von Symmetrie sind unsere H\u00e4nde \u2013 daher der Begriff \u00bbchiral\u00ab, der aus dem griechischen Wort f\u00fcr Hand abgeleitet ist.<\/p>\n
Wenn zwei chirale Molek\u00fcle miteinander wechselwirken, spielt ihre jeweilige H\u00e4ndigkeit eine entscheidende Rolle \u2013 was sofort einleuchtet, wenn man sich als Analogie den Handschlag zweier Menschen zur Begr\u00fc\u00dfung vorstellt: Seinem Gespr\u00e4chspartner spontan die linke Hand zu reichen, wird aller Voraussicht nach eine andere Reaktion hervorrufen, als die gewohnte rechte anzubieten.<\/p>\n
Die Mehrzahl der biologisch relevanten Molek\u00fcle ist h\u00e4ndig, beispielsweise viele Zucker und fast alle nat\u00fcrlich vorkommenden Aminos\u00e4uren. Auch unser K\u00f6rper ist aus vielen chiralen Bausteinen aufgebaut. Somit reagieren Bild und Spiegelbild eines Molek\u00fcls unterschiedlich mit unserem Organismus \u2013 dies macht sich bei Geruchsstoffen, aber auch bei vielen Medikamenten bemerkbar. Sieben der zehn h\u00e4ufigsten Medikamente enthalten chirale Wirkstoffe; im Sinne der Arzneimittelsicherheit ist es deshalb w\u00fcnschenswert, diese Wirkstoffe ausschlie\u00dflich in der richtigen H\u00e4ndigkeit zu verabreichen. Die Unterscheidung der rechts- und linksh\u00e4ndigen Variante eines Molek\u00fcls ist daher von gro\u00dfem Interesse in der Pharmazie und in der Biochemie.<\/p>\n
Methoden, um die beiden H\u00e4ndigkeiten durch Wechselwirkung mit polarisierter Strahlung oder durch eine Abfolge chemischer Reaktionen zu unterscheiden, gibt es zuhauf. Allerdings messen diese Techniken nur makroskopische Effekte, die von einer Vielzahl von Molek\u00fclen \u00a0herr\u00fchren; die Bestimmung der mikroskopischen Anordnung der Atome im Molek\u00fcl selbst (Absolutkonfiguration) ist meist nur indirekt m\u00f6glich \u2013 entweder mithilfe aufwendiger Rechnungen oder durch chemische Reaktionen mit Stoffen bekannter H\u00e4ndigkeit. Zudem kann die Reinheit der Probe nur aus der St\u00e4rke des gemessenen Effekts bestimmt werden, f\u00fcr den wiederum eine Kalibrierung bei bekannter Konzentration notwendig ist.<\/p>\n
Einzelne chirale Molek\u00fcle im Fokus<\/h3>\n
F\u00fcr diese Probleme bietet das \u00bbExplosionsmikroskop \u00ab eine elegante L\u00f6sung. Wir konnten mit unserer Arbeit [2] zeigen, dass das einfachste chirale Molek\u00fcl CHBrClF (Abb. 3) mithilfe der oben beschriebenen Laserpulse in seine f\u00fcnf atomaren Bestandteile zerlegt werden kann. Diese fliegen in einer Explosion auseinander; die Impulse k\u00f6nnen mithilfe des COLTRIMS-Reaktionsmikroskops gemessen werden.<\/p>\n
Da die Atome n\u00e4herungsweise in Richtung der Bindungsachsen auseinanderfliegen, l\u00e4sst sich aus diesen Impulsen f\u00fcr jedes Molek\u00fcl eindeutig bestimmen, ob es sich um die rechts- oder linksh\u00e4ndige Variante handelt. Damit er\u00f6ffnet sich die M\u00f6glichkeit, die Konfiguration exakt zu bestimmen. Auch zur Analyseder Reinheit ist diese Methode geeignet: Da die H\u00e4ndigkeit f\u00fcr einzelne Molek\u00fcle gemessen wird, muss nur die Anzahl der rechts- und linksh\u00e4ndigen Molek\u00fcle verglichen werden, um eine zuverl\u00e4ssige Aussage \u00fcber den jeweiligen Anteil zu erhalten.<\/p>\n
Entscheidend im Hinblick auf eine zuk\u00fcnftige Anwendung als Analysemethode ist die Frage, inwieweit sich die Explosion und die Messung der Fragmente auf komplexere Molek\u00fcle ausdehnen lassen. Hierzu haben wir bereits erste Experimente an gr\u00f6\u00dferen Molek\u00fclen durchgef\u00fchrt, die eine Bestimmung der Absolutkonfiguration aussichtsreich erscheinen lassen.<\/p>\n
Die mit diesen Arbeiten gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur f\u00fcr zuk\u00fcnftige Anwendungen, sondern auch f\u00fcr die Grundlagenforschung von Relevanz: Die Analyse der Fragmentationsprozesse erm\u00f6glicht ein besseres Verst\u00e4ndnis der Unterschiede zwischen rechts- und linksh\u00e4ndigen Molek\u00fclen auf quantenphysikalischer Ebene. Die Untersuchung
\neinzelner chiraler Molek\u00fcle k\u00f6nnte somit zu einem Werkzeug werden, um fundamentale Symmetrieeigenschaften der physikalischen Gesetze zu untersuchen, die die Welt der Molek\u00fcle und damit viele lebenswichtige Prozesse beschreiben.<\/p>\n
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Die Autoren<\/h4>\n<\/a>Markus Sch\u00f6ffler, Reinhard D\u00f6rner und Martin Pitzer. Foto: U. Dettmar.<\/figcaption><\/figure>\nDr. Markus Sch\u00f6ffler<\/strong>, Jahrgang 1978, studierte Physik an der Goethe-Universit\u00e4t. Mit einem Feodor-Lynen-Stipendium der Humboldt-Stiftung ging er zuerst an die Advanced Light Source in Berkeley und f\u00fcr ein weiteres Postdoktorat an die Technische Universit\u00e4t Wien. Ende 2011 kehrte er zur\u00fcck nach Frankfurt und widmet sich seither vor allem der Erforschung chiraler Systeme mithilfe von Reaktionsmikroskopen. Seine Arbeiten wurden 2014 mit dem Adolf-Messer-Stiftungspreis ausgezeichnet.
\nschoeffler@atom.uni-frankfurt.de<\/p>\n
<\/a>Dr. Markus Sch\u00f6ffler<\/strong>, Jahrgang 1978, studierte Physik an der Goethe-Universit\u00e4t. Mit einem Feodor-Lynen-Stipendium der Humboldt-Stiftung ging er zuerst an die Advanced Light Source in Berkeley und f\u00fcr ein weiteres Postdoktorat an die Technische Universit\u00e4t Wien. Ende 2011 kehrte er zur\u00fcck nach Frankfurt und widmet sich seither vor allem der Erforschung chiraler Systeme mithilfe von Reaktionsmikroskopen. Seine Arbeiten wurden 2014 mit dem Adolf-Messer-Stiftungspreis ausgezeichnet.
\nschoeffler@atom.uni-frankfurt.de<\/p>\n