Die anorganische Seite des Lebens

Denkt man an die grundlegenden Bausteine des Lebens, hat man klassischerweise organische Moleküle wie DNA oder Proteine vor Augen. Aber Leben hat auch eine wichtige anorganische Komponente: Viele Reaktionen, die Zellen am Laufen halten, wären ohne Metalle nicht möglich. Eisen, Kupfer oder Mangan etwa: Mehr als die Hälfte aller bekannten Proteine nutzt Metallzentren für lebenswichtige katalytische Prozesse. Genau an dieser Schnittstelle zwischen Biologie und anorganischer Chemie forscht George Cutsail. Der Professor für anorganische Chemie setzt auf hochspezialisierte spektroskopische Methoden, um solche Prozesse besser zu verstehen – und möglicherweise auch zu verbessern.

Schon während seiner Doktorarbeit an der Northwestern University (Illinois, USA) spezialisierte sich der Chemiker auf spektroskopische Methoden, insbesondere die Elektronenparamagnetresonanz-Spektroskopie (EPR). „Das wurde letztlich auch die Basis meiner Forschung hier in München“, erzählt Cutsail. Dass die Forschung den gebürtigen Amerikaner einmal nach Deutschland führen würde, war damals aber noch nicht abzusehen. „Wenn man mich während meiner Promotion gefragt hätte, ob ich die USA verlassen würde, hätte ich klar Nein gesagt“, schmunzelt er. Nach der Promotion wollte er allerdings neue Wege gehen und mit Röntgenspektroskopie arbeiten. Dieser Schritt führte ihn ans Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr, wo er zuletzt eine eigene Forschungsgruppe leitete, bevor er schließlich dem Ruf an die LMU folgte.

Von der Natur inspirierte Katalysatoren

Cutsails besonderes Interesse gilt enzymatischen Reaktionen, in denen chemische Energie mithilfe von metallhaltigen Katalysatoren umgewandelt wird. Ein Beispiel ist die Umwandlung von Methan zu Methanol durch Bakterien, bei der kupferhaltige Enzyme eine Schlüsselrolle spielen. „Mithilfe dieser Enzyme können die Bakterien die extrem stabilen Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen von Methan spalten und Sauerstoff einbauen – das Ergebnis ist Methanol, das die Bakterien dann als Kohlenstoffquelle nutzen.“

Methan ist ein starkes Treibhausgas und fällt etwa bei Erdölförderung in großen Mengen an. Eine effiziente Umwandlung von Methan in flüssige, besser transportierbare Produkte könnte daher wirtschaftlich und ökologisch relevant sein, ist Cutsail überzeugt. „Die Natur macht diese chemische Energiekonversion schon sehr gut“, betont er. Aber die Mechanismen dahinter seien bislang nur unvollständig verstanden. Sein Ziel ist es, diese biologischen Prinzipien zu entschlüsseln und daraus bessere, von der Natur inspirierte metallbasierte Katalysatoren zu entwickeln.

Reaktionen „live“ beobachten

Dafür setzt er mit seiner Arbeitsgruppe auf moderne EPR-Spektroskopie. Anders als verwandte Methoden wie die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) fokussiert sich EPR gezielt auf ungepaarte Elektronen, etwa in Metallzentren von Enzymen. „Der Vorteil dieser Technik ist, dass sie sehr lokal ist und uns ermöglicht, wirklich in die Reaktionsstelle hineinzuzoomen“, erklärt Cutsail.

An der LMU steht dafür ein neu angeschafftes Spektrometer zur Verfügung, mit dem ganz neue zeitliche Auflösungen erreichbar sind. „Wir können etwa 2.000 Scans pro Sekunde aufnehmen“, freut sich der Chemiker. Sein Ziel ist es, chemische Reaktionen direkt zu verfolgen – nicht mehr nur eingefrorene Momentaufnahmen zu analysieren, sondern Zwischenstufen in Echtzeit zu beobachten. „Wir wollen die Reaktion live sehen“, so seine Vision. Noch befindet sich diese Methodik im Aufbau, doch sie soll völlig neue Einblicke in kurzlebige katalytische Prozesse ermöglichen.

Kooperation als Motor für Innovation

Die EPR-Spektroskopie ist zudem auch für Fragestellungen anderer Disziplinen sehr interessant. An der LMU hat Cutsail bereits verschiedene Kooperationspartner gewonnen, beispielsweise untersucht er in Zusammenarbeit mit dem Exzellenzcluster e-conversion verschiedene Materialien. „Die Technik ist nicht auf biologische Systeme beschränkt“, betont er. „Wir können sie auf eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien anwenden.“

Für ihn ist genau das der Reiz: „Wir arbeiten mit Gruppen zusammen, die extrem anspruchsvolle Proben herstellen – oft die besten weltweit – und wir bringen die spektroskopischen Werkzeuge ein. So entstehen neue Herausforderungen, die wiederum die Entwicklung neuer Techniken vorantreiben – um Fragen zu beantworten, die bisher nicht zugänglich waren.“