Kleine Moleküle verhalten sich wie Schraubenfedern

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Bei der Proteinbiosynthese entstehen aus einzelnen Aminosäuren zunächst lineare Moleküle. Vielen von ihnen werden erst biologisch aktiv, wenn sie dreidimensionale Raumstrukturen ausgebildet haben. Solche Faltungen spielen eine wichtige Rolle in biologischen Systemen. Beispielsweise sorgt Elastin, ein Strukturprotein, dafür, dass sich große Blutgefäße dehnen und wieder zusammenziehen. Titin wirkt als Teil der Muskulatur wie ein molekulares Gummiband. Und Kollagene verleihen unserem Bindegewebe seine Zugfestigkeit bei gleichzeitig hoher Flexibilität. Elastin, Titin und Kollagene zeichnen sich durch spiralförmige Strukturen, die alpha-Helices, aus. Wie sich lineare Proteine im Raum anordnen, lässt sich schwer vorhersagen; unzählige Faktoren sind von Bedeutung.

Deshalb erforscht Professor Ivan Huc vom Department Pharmazie der LMU Aspekte zur Selbstorganisation mit Modellverbindungen. Seine sogenannten „Foldamere“ sind gefaltete Makromoleküle mit einer definierten Geometrie und einer klaren chemischen Komposition, jedoch deutlich kleiner als Proteine. Huc entwickelt nicht nur Synthesen. Er untersucht auch mechanische Eigenschaften dieser Moleküle.

Der LMU-Forscher arbeitet mit 8-Hydroxychinolin-2-carbonsäure anstelle von Aminosäuren. Im Labor entstehen daraus sogenannte Oligoamide als Modell für Proteine. Sie winden sich zu Helices, in denen sich Ringe direkt übereinanderstapeln. Ihre Strukturen sind klar definiert. Um deren mechanische Eigenschaften zu entschlüsseln, eignet sich die Einzelmolekül-Kraftspektroskopie. Professor Hermann E. Gaub von der Fakultät für Physik der LMU hat das Verfahren mit entwickelt, war an Hucs Publikation jedoch nicht beteiligt. Im Experiment fixiert man einzelne Moleküle an einer mikroskopisch kleinen Blattfeder und an einer weiteren Oberfläche. Durch minimales Verschieben einer Oberfläche wirken Kräfte auf das Molekül. Besteht es aus einer Helix, wird diese wie eine Schraubenfeder reversibel in die Länge gezogen. „Sowohl die Kopplung eines kleinen Objekts mit dem Gerät als auch die Messung von Übergängen mit winzigen Amplituden sind schwierig“, sagt Huc. „Bis heute wurden nur sehr wenige solcher Experimente erfolgreich an kleinen Molekülen durchgeführt.“ Die Methode komme eher bei großen Proteinen zum Einsatz.

Im zehn Mikrosekunden zurück zur ursprünglichen Gestalt

In Zusammenarbeit mit Prof. Anne-Sophie Duwez, einer Expertin für Einzelmolekül-Kraftspektroskopie von der Universität Lüttich, Belgien, hat Huc seine Moleküle so konzipiert, dass sie sich gut für Experimente eignen. „Bei der Einzelmolekül-Kraftspektroskopie zogen wir an Oligoamiden unterschiedlicher Länge, um ihre mechanischen Eigenschaften zu untersuchen“, sagt der LMU-Chemiker. „Dabei fanden wir heraus, dass helikale Oligoamide mit nur einem Nanometer Größe ähnlich wie Federn eine hervorragende Elastizität besitzen – im Gegensatz zum Verhalten der meisten natürlich vorkommenden Biopolymere.“ Werden Proteine als große Moleküle gedehnt, kehren sie nicht unbedingt in die gleiche räumliche Anordnung zurück, in der sie ursprünglich waren.

Die Wissenschaftler zeigten auch, dass sich diese Helices bei stärkeren Kräften auf das bis zu 3,8-Fache ihrer ursprünglichen Länge ausdehnen. Innerhalb von nur zehn Mikrosekunden nehmen sie ihre ursprüngliche Gestalt wieder an, sobald man die äußere Kraft abschaltet. Ähnlich wie bei einer Schraubenfeder nutzt das Molekül dafür seine mechanische Energie.

„Eine Verringerung der Größe muss die mechanischen Eigenschaften nicht beeinträchtigen“, fasst der LMU-Wissenschaftler zusammen. „Unsere Moleküle, die nur einen Nanometer groß sind, gehören zu den schnellsten und robustesten jemals beschriebenen Federn.“ Dennoch gibt es Unterschiede zu Objekten in Alltagsdimensionen. Je stärker man eine Feder dehnt, desto größer wird ihr Widerstand. Bei Oligoamiden reicht dafür eine konstante Kraft aus.

Wie geht es weiter? Huc spekuliert, molekulare Federn könnten sich für neue Klassen künstlicher Elastomere mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften eignen.

CHEM, 2021