Empa-Forscher untersuchen Kristalle auf Ebene der Moleküle – neue Studie in «Nature»

Kristalle im Spiegel

26.01.2006 | BEAT ASCHWANDEN

Manche Kristalle, etwa Quarz, kommen in der Natur in zwei spiegelbildlichen Formen vor. Empa-Forscher haben mit Hilfe des Rastertunnelmikroskops Moleküle beim Kristallwachstum «beobachtet» – und dabei herausgefunden, warum sich unter bestimmten Bedingungen nur eine Kristallform bildet. Darüber berichten sie diese Woche im renommierten Wissenschaftsmagazin «Nature».

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Legende: Spiegelbilder der Natur: Zwei spiegelbildliche Quarzkristalle werden von Helicenmodellen «umkreist». Helicen besteht aus sieben miteinander verknüpften Ringen aus Kohlenwasserstoff in Form einer kurzen Wendeltreppe.

 

 

Was für einige Kristalle gilt, trifft oft auch für deren Moleküle zu: Bestimmte Substanzen kommen in zwei Formen vor, die sich zueinander verhalten wie rechte und linke Hand. Bei Biomolekülen, den Bausteinen des Lebens, ist diese Händigkeit – im Fachjargon «Chiralität» genannt – besonders weit verbreitet. So kommen Aminosäuren, aus denen Eiweisse bestehen, praktisch nur in einer Form vor; das Gleiche gilt für Zuckermoleküle.

Auch viele Arzneimittelwirkstoffe liegen in zwei spiegelbildlichen Formen vor. Dieser kleine Unterschied kann es in sich haben: So wirkt die Substanz Ethambutol in der einen Form gegen Tuberkulose, in der anderen Form führt sie zur Erblindung. In Fällen wie diesen setzt die pharmazeutische Industrie alles daran, die beiden Formen voneinander zu trennen – was häufig ein kompliziertes und teures Unterfangen ist, da sich die beiden Formen nur in wenigen Eigenschaften unterscheiden. Ein Weg, die beiden Spiegelbild-Moleküle in reiner Form zu erhalten, ist die Kristallisation; unter bestimmten Umständen lagert sich im wachsenden Kristall nur eines der beiden Moleküle ab.

Diese Erkenntnis geht auf den französischen «Allround-Forscher» Louis Pasteur zurück, der 1848 unter dem Mikroskop Kristalle eines Salzes der Weinsäure mit der Pinzette in zwei spiegelbildliche Formen trennen konnte. Wie und warum sich Moleküle beim Kristallisieren trennen und warum sich daraus Spiegelbild-Kristalle bilden, ist indes bis heute ein Rätsel.

Kristalle in zwei Dimensionen

Da sich das Kristallwachstum aus der Lösung kaum auf molekularer Ebene beobachten lässt, untersuchten die Empa-Forscher um Karl-Heinz Ernst «zweidimensionale» Kristalle auf einer glatten Oberfläche. Diese können sich im Vakuum – etwa auf Kupfer – spontan bilden. Dazu verdampften die Forscher in einer kleinen Reaktionskammer über der Kupferoberfläche die chirale Substanz Helicen, die aus sieben aneinander gereihten Kohlenwasserstoffringen in Form einer kurzen Wendeltreppe besteht. (Diese kann sich entweder rechts oder links herumwinden – was dann die beiden Spiegelbildformen ergibt.) Der Kniff dabei: Die Empa-Wissenschaftler gaben nur gerade so viel Helicen dazu, dass sich genau eine Schicht aus dicht und regelmässig gepackten Helicenmolekülen auf dem Kupfer bildete.

Mit der ultrafeinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops fuhren Ernst und seine Kollegen dann die Oberfläche der einlagigen Helicenschicht ab, um die Anordnung der einzelnen Moleküle im Kristallgitter zu bestimmen. Benutzten die Forscher reines «linksdrehendes» Helicen, ergab sich eine Kristallstruktur, die – wie erwartet – das exakte Spiegelbild des Kristalls aus ausschliesslich «rechtsdrehenden» Helicenmolekülen war. Die Chiralität der Helicenmoleküle hatte sich also auf die beiden Kristallformen übertragen, wie Ernsts Team vor zwei Jahren im Fachblatt «Angewandte Chemie» berichtete.

 
Nahaufnahme (je 10 auf 10 Nanometer, also Millionstel Millimeter) der beiden spiegelbildlichen Helicenkristallformen: Die Kristallbausteine sind in einem charakteristischen Zickzack-Muster angeordnet und sind um je 10.9 Grad gegenüber der Spiegelebene «gekippt», einmal im Uhrzeigersinn, einmal dagegen.
 

Die Kristallform lässt sich vorherbestimmen

Doch welche Art von Kristall bildet sich, wenn ein Gemisch von links- und rechtsdrehenden Helicenmolekülen verwendet wird? Dieser Frage gingen die Forscher in der aktuellen «Nature»-Studie nach. Ergebnis: Auf der Kupferoberfläche entsteht eine Art Mischkristall; einige Bereiche zeigen die eine Kristallstruktur, andere deren Spiegelbild. Die Empa-Forscher nahmen daher an, dass sich die beiden Helicenformen getrennt hatten: Die linksdrehenden Moleküle bilden die eine Kristallform, die rechtsdrehenden die andere. «Diese Theorie haben wir sogar veröffentlicht», sagt Ernst.

Doch da irrten die Forscher, wie ein Heranzoomen mit dem Rastertunnelmikroskop zeigte. «Beide Kristallformen zeigten eine wirklich seltsame Anordnung der Bausteine, eine Art Zickzack-Struktur, die sich deutlich von den Kristallstrukturen der reinen chiralen Helicenmoleküle unterschied.» Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Kristallbausteine nicht einzelne Helicenmoleküle, sondern Molekülpaare waren. Diese «Dimere» bestanden aus je einem rechts- und einem linksdrehenden Helicenmolekül. Und da sich die Moleküle auf zwei spiegelbildliche Arten aneinander «anschmiegen» können, ergeben sich zwei verschiedene Kristallformen.

 

Was passiert nun, überlegte sich Ernst, wenn man eine Helicenform – etwa die linksdrehende – in leichtem Überschuss zugibt? Besteht die Mischung aus 54 Prozent linksdrehendem Helicen und 46 Prozent rechtsdrehendem (oder umgekehrt), bildet sich auf der gesamten Kupferoberfläche nur eine Kristallform. Die überschüssigen Helicenmoleküle, die keinen Partner finden, sitzen an den Rändern des Kristalls und zwingen diesen regelrecht dazu, eine bestimmte Struktur anzunehmen.

Da diese zweidimensionale Kristallstruktur als Keim für «richtige», also dreidimensionale Kristalle fungieren kann, besteht die Hoffnung, über dieses Prinzip die Trennung von Medikamenten durch Kristallisation zu erleichtern», gibt sich Ernst zuversichtlich.

 

1) Nature, 26. Januar 2006, Vol. 439

 

Kontakt:

Dr. Karl-Heinz Ernst, Molecular Surface Science, +41 44 823 43 63,
Dr. Roman Fasel, , +41 44 823 43 48,
Dr. Manfred Parschau, Molecular Surface Science, +41 44 823 43 45,

 

Autor:

Dr. Michael Hagmann, Abteilung Kommunikation, +41 44 823 45 92,

 
 
 
Amplification of chirality in two-dimensional enantiomorphous lattices,
Roman Fasel, Manfred Parschau & Karl-Heinz Ernst, Nature,Vol 439|26 January 2006, pp. 449-452