• Skip to main content
  • Skip to secondary menu
  • Zur Hauptsidebar springen

Lebensmittel- & Biotechnologie

Das Fachportal für Lebensmittelindustrie und Biotechnologie

  • Abonnement
  • Impressum
  • Welkin Media Verlag
  • Messekalender
Startseite » Schwingungsspektroskopie im Ultrakurzzeitbereich

Schwingungsspektroskopie im Ultrakurzzeitbereich

23. Januar 2018 von Helmut Mitteregger

Ribonukleinsäure (RNA) spielt eine Schlüsselrolle für biochemische Prozesse, die auf zellulärer Ebene in einer wässrigen Umgebung ablaufen. Mechanismen und Dynamik der Wechselwirkung zwischen RNA und Wasser wurden jetzt durch Schwingungsspektroskopie im Ultrakurzzeitbereich aufgeklärt und theoretisch analysiert.

Ribonukleinsäure (RNA) ist ein elementarer Bestandteil biologischer Zellen. Während Desoxyribonukleinsäure (DNA) das Speichermedium der Erbinformation darstellt, verfügt RNA über eine vielfach komplexere biochemische Funktionalität. Dies beinhaltet die Informationsübertragung in Form von mRNA, RNA-vermittelte katalytische Aktivität in Ribosomen, bis hin zur Speicherung von Erbinformation in Viren. Chemisch besteht RNA aus einer Abfolge organischer Nukleobasenmoleküle, die durch ein sog. Rückgrat aus Phosphat- und Zuckergruppen zusammengehalten werden. Ein derartiger Molekülstrang kann einzeln oder gepaart in Form einer Doppelhelix vorliegen. Beide makromolekularen Formen sind in eine Wasserhülle eingebettet, die Sauerstoffatome der Phosphat- und Zuckergruppen stellen ausgezeichnete Kontaktstellen für Wassermoleküle dar. Die Struktur der Wasserhülle weist hierbei Fluktuationen in einem Zeitbereich von Bruchteilen einer Pikosekunde auf. Die Wechselwirkung zwischen RNA und Wasser und ihre Rolle für die Ausbildung dreidimensionaler RNA-Strukturen sind erst in Ansätzen verstanden und experimentell schwer zugänglich.

Forscher am Max-Born-Institut (MBI) haben jetzt mit einer neuen experimentellen Methode die Wechselwirkung zwischen RNA und der umgebenden Wasserhülle in Echtzeit verfolgt. Dabei dienen Schwingungen des RNA-Rückgrats als empfindliche Sonden für den Einfluss der unmittelbar benachbarten Wassermoleküle auf Struktur und Dynamik der RNA. Mit der sog. zweidimensionalen Schwingungsspektroskopie lassen sich die zeitliche Entwicklung von Schwingungsanregungen aufzeichnen und molekulare Wechselwirkungen innerhalb der RNA wie auch zwischen RNA und Wasser bestimmen. Dabei zeigt sich, dass Wassermoleküle an der RNA-Oberfläche ultraschnelle Kippbewegungen in Bruchteilen einer Pikosekunde ausführen, ihre lokale räumliche Anordnung jedoch für einen Zeitraum von mehr als 10 Pikosekunden beibehalten. Dieses Verhalten weicht von der Dynamik des reinen Wassers deutlich ab und ist stark durch die räumlichen Randbedingungen an der RNA-Oberfläche beeinflusst. Einzelne Wassermoleküle verbinden hierbei benachbarte Phosphatgruppen und bilden eine teilweise geordnete Struktur, die durch Kopplung an die Zuckereinheiten vermittelt wird.

Die sich bewegenden Wassermoleküle erzeugen eine elektrische Kraft, mit der die Wasserfluktuationen auf Schwingungen der RNA übertragen werden. Die Schwingungen des RNA-Rückgrats zeigen ein unterschiedliches dynamisches Verhalten das von der lokalen Wasserumgebung bestimmt wird und deren Heterogenität widerspiegelt. RNA-Schwingungen koppeln ihrerseits aneinander, sie tauschen Energie untereinander und mit der Wasserhülle aus. Die damit verbundene ultraschnelle Umverteilung von Überschussenergie verhindert ein lokales Überhitzen der makromolekularen Struktur. Dieses komplexe Szenario wurde durch detaillierte theoretische Berechnungen und Simulationen analysiert, mit denen u.a. die Schwingungsbewegungen des RNA-Rückgrats erstmals komplett und quantitativ identifiziert wurden. Vergleichende Experimente an DNA enthüllen Gemeinsamkeiten aber auch charakteristische Unterschiede im Verhalten dieser beiden elementaren Biomoleküle wobei sich RNA durch eine strukturiertere Anordnung der umgebenden Wasserhülle auszeichnet. Die Ergebnisse der Studie demonstrieren das vielfältige Potential von nicht-invasiver zeitaufgelöster Schwingungsspektroskopie um das Wechselspiel von Struktur und Dynamik auf molekularen Längen- und Zeitskalen in komplexen biomolekularen Systemen zu entschlüsseln.

Abb. 1. | © MBI

Abb. 1: Links: Struktur der RNA-Doppelhelix, blaue Sphären stellen Natrium-Gegenionen dar. Rechts: Vergrößerung des aus Phosphat- und Zuckergruppen bestehenden RNA-Rückgrats, verbrückende Wassermoleküle sind schematisch dargestellt. Die Schwingungen des RNA-Rückgrats dienen als empfindliche Sonden um den Einfluss unmittelbar benachbarter Wassermoleküle auf Struktur und Dynamik der RNA in Echtzeit zu verfolgen.

Abb. 2. | © MBI

Abb. 2: Zweidimensionale Schwingungsspektren von RNA (oben) und DNA (unten) im Frequenzbereich der Zucker-Phosphat-Schwingungen des Rückgrats. Das RNA Spektrum weist zusätzliche Banden (Konturen) entlang der Frequenzdiagonalen ν1=ν3 und eine komplexere Verteilung von Außerdiagonalbeiträgen auf. Neben den Frequenzpositionen geben die Linienformen der einzelnen Banden (Konturen) Aufschluss über Details der Wechselwirkung mit benachbarten Wassermolekülen.

Originalartikel:
E. M. Bruening, J. Schauss, T. Siebert, B. P. Fingerhut, T. Elsaesser: Vibrational Dynamics and Couplings of the Hydrated RNA Backbone: A Two-Dimensional Infrared Study.
J. Phys. Chem. Lett. 9, 583-587 (2018). DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b03314.

Kategorie: Forschung, News Stichworte: DNA, MBI, RNA, Schwingungsspektroskopie

Weitere Nachrichten

Labortechnik & Analytik auf der LAB-SUPPLY Innsbruck

Am 25. Juni 2025 findet im Congress Innsbruck die LAB-SUPPLY statt – eine kompakte Tagesmesse, die sich als bedeutender Treffpunkt für Fachleute aus Labortechnik, instrumenteller Analytik und Life Sciences etabliert hat. Der persönliche Austausch … [Weiterlesen...] Infos zum Plugin Labortechnik & Analytik auf der LAB-SUPPLY Innsbruck

Mobiles Biomasse-Kraftwerk wandelt Altstoffe in Energie um

Das österreichische Start-up Corbofix hat ein dezentrales, patentiertes Biomasse-Kleinkraftwerk entwickelt, das aus biogenen Altstoffen wie Altholz, Laub, Rasenschnitt oder Industrieabfällen verlässlich Energie, Strom und Wärme erzeugt. Die kompakte … [Weiterlesen...] Infos zum Plugin Mobiles Biomasse-Kraftwerk wandelt Altstoffe in Energie um

Falling Walls Lab Vienna 2025

Das Falling Walls Lab Vienna 2025 holt ein international anerkanntes Pitch-Format nach Österreich. Junge Talente aus Forschung, Hochschule und innovativen Unternehmensbereichen erhalten die Möglichkeit, ihre zukunftsweisenden Ideen in einem … [Weiterlesen...] Infos zum Plugin Falling Walls Lab Vienna 2025

Infrareal übernimmt Pharmapark Orth von Takeda

Zum 31. Mai 2025 hat die Infrareal Holding GmbH & Co. KG die Übernahme des Pharma- und Biotech-Standortes Orth in Niederösterreich abgeschlossen. Die neu gegründete PharmaparkOrth Management GmbH fungiert seither als Tochtergesellschaft der … [Weiterlesen...] Infos zum Plugin Infrareal übernimmt Pharmapark Orth von Takeda

Haupt-Sidebar

Aktuelle Ausgabe

Newsletter

  • Newsletter Anmeldung
  • Newsletter Archiv

Messekalender

Juni 17
Ganztägig

LAB-SUPPLY Berlin 2025

Juni 25
Ganztägig

LAB-SUPPLY Innsbruck 2025

Sep. 3
Ganztägig

SchraubTec Bochum 2025

Sep. 10
Ganztägig

LAB-SUPPLY Chemnitz 2025

Sep. 10
10. September - 11. September

all about automation 2025 – Wetzlar

Kalender anzeigen

Welkin Media News

Aktuelle Nachrichten aus unseren anderen Online-Portalen Österreichische Chemie Zeitschrift und Österreichische Kunststoffzeitschrift.

  • Leichtbau-Innovation von ENGEL auf der EUROBIKE 2025
    am 12. Juni 2025 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    ENGEL präsentiert sich erstmals auf der EUROBIKE, die vom 25. bis 29. Juni 2025 in Frankfurt stattfindet. Mit einer vollständig integrierten Produktionszelle demonstriert das Unternehmen live die Fertigung eines innovativen Fahrradlenkers für […]

  • CO2-Elektrolyse unter Hochdruck
    am 12. Juni 2025 von Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Forschende entwickeln Zero Gap Reaktor der CO2 Elektrolyse bei Differenzdruck bis 40 bar ermöglicht und industrielle Integration erlaubt. Diese Innovation eröffnet neue Möglichkeiten für eine direkte Kopplung der CO2-Elektrolyse an bestehende […]

  • Konstantin Klein: Monomaterial ist heute technisch etabliert
    am 12. Juni 2025 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Im VDMA way2K Interview erklärt Konstantin Klein von Hosokawa Alpine AG, warum Monomaterialverpackungen heute technisch ausgereift sind. Die Herstellung nachhaltiger Lösungen durch MDO-Technologie ist heute industriell etabliert – mit […]

  • ENGEL gründet Tochtergesellschaft ENGEL Spain in Barcelona
    am 11. Juni 2025 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    ENGEL übernimmt langjährigen Partner Roegele und gründet mit ENGEL Spain eine eigene Niederlassung in Spanien. Damit stärkt der Spritzgießmaschinenbauer seine Marktposition in Südwesteuropa und investiert gezielt in Kundennähe und Wachstum. […]

  • RAG Austria wird Partner im Wasserstofftechnik-Studium
    am 11. Juni 2025 von Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Das duale Bachelorstudium Wasserstofftechnik an der FH Technikum Wien gewinnt mit der RAG Austria AG einen weiteren starken Unternehmenspartner. Die Kooperation erweitert das bestehende Netzwerk aus namhaften Industrieunternehmen und stärkt die […]

  • Rezyklate – Rohstoff der Zukunft in der Kunststoffindustrie
    am 10. Juni 2025 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Die K 2025 stellt mit dem Hot Topic „Shaping the circular economy“ das Thema Kreislaufwirtschaft ins Zentrum – Anlass genug, um auf den Status Quo zu blicken. Die Potenziale von Rezyklaten sind enorm – doch hohe Kosten, technische Hürden […]

  • Pilotanlage für SOEC-Stacks eröffnet
    am 10. Juni 2025 von Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Die Hochtemperatur-Elektrolyse ermöglicht eine besonders effiziente Herstellung von grünem Wasserstoff für industrielle Anwendungen. Der Beitrag Pilotanlage für SOEC-Stacks eröffnet erschien zuerst auf Die Chemie Zeitschrift Österreichs.

  • ARA erreicht Recyclingziel für Kunststoffverpackungen ab 2025
    am 6. Juni 2025 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Laut aktueller Hochrechnung wird die ARA das EU-Ziel von 50 % Recyclingquote für Kunststoffverpackungen 2025 erfüllen. Gleichzeitig mahnt sie Kontrollen bei der Gewerbesammlung ein und investiert in Innovationen wie das Recycling von […]

  • Triple Transformation als Zukunftsstrategie
    am 6. Juni 2025 von Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Beim 1. Transformationsforum der Plattform Industrie 4.0 diskutierten Expert:innen über die Zukunft der Industrie. Digitalisierung, Nachhaltigkeit und Menschzentrierung standen im Fokus – ergänzt um konkrete Praxisbeispiele für erfolgreiche […]

  • FORUM.Werkzeugbau 2025: Digitalisierung, Praxis und Vernetzung
    am 5. Juni 2025 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Am 26. und 27. Juni 2025 lädt das TIZ Kirchdorf zum zweitägigen FORUM.Werkzeugbau in das oberösterreichische Kremstal. Der Fachkongress widmet sich den aktuellen Herausforderungen und Zukunftsstrategien im europäischen Werkzeugbau. The post […]

Copyright © 2025 · Welkin Media Verlag