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Ein solvatisiertes (gelöstes) Elektron entsteht durch einen Lichtstrahl an einer Wasser-Grenzfläche in der Nähe eines DNA-Stranges und ist in der Lage, diesen zu spalten.
[Bildquelle: Uni Leipzig]
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45 Jahre nach der Entdeckung des freien gelösten Elektrons in Wasser gelang es den Forschern in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Leipzig und Berlin, erstmals die bisher unbekannte Bindungsenergie des Elektrons zu messen. Das ist die Energie, die benötigt wird, um das Elektron wieder aus der Wasserumgebung herauszulösen. Wenn Hochenergiestrahlung auf die DNA einer Zelle trifft, werden lebenswichtige Zellbestandteile zerstört und die Zelle damit abgetötet - ein Mechanismus, der bei der Strahlentherapie zur Bekämpfung von Krebs ausgenutzt wird. Gleichzeitig schädigt die Strahlung aber auch gesunde Zellen. Neben freien Radikalen entstehen bei der hochenergetischen Bestrahlung von Wasser in biologischem Gewebe in Wasser gelöste Elektronen an Grenzflächen wie zum Beispiel Membranen oder den Wänden von Biomolekülen. Bei ihren Untersuchungen stießen die Wissenschaftler erstmals auf eine bisher unbekannte Spezies: das nur teilweise gelöste Elektron an einer Wasser-Grenzfläche. Dessen Existenz und Lebensdauer wiesen sie erstmalig mit einer schnellen Kamera für kurzlebige reaktive Teilchen nach. Diese Elektronen sind offenbar deshalb so gefährlich, weil sie aufgrund ihrer "gerade passenden" (Bindungs-)Energie ebenfalls DNA spalten können. Da sie lange leben, können sie ihre schädigende Wirkung zudem besonders gut entfalten. Prof. Abel ist Mitglied der Graduiertenschule für Neurowissenschaften und molekulare Biowissenschaften sowie Principal Investigator des Courant Forschungszentrums "Nanospektroskopie und Röntgenbildgebung" der Universität Göttingen. Beide Einrichtungen werden im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder gefördert. Seit 2008 ist er außerdem Professor für Physikalische Chemie und Reaktionsdynamik an der Universität Leipzig. Prof. Dr. Udo Buck und Dr. Manfred Faubel arbeiten am Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation.
Pressemitteilung der Universität Leipzig: Für Erbgut gefährliches Teilchen entdecktLeipziger Forscher messen erstmals die Bindungsenergie eines Elektrons in wässriger Lösung und entdecken neuen Mechanismus für Strahlenschäden der Erbsubstanz durch Hochenergiestrahlung. Diese Entdeckung hat möglicherweise Auswirkungen auf die Dosierung der Strahlentherapie von Krebs. "Lange Zeit hat man angenommen, dass Strahlungsschäden der DNA durch Hochenergiestrahlung wie etwa Röntgen- oder Partikelstrahlung besonders durch das Auftreten von sogenannten OH-Radikalen (O steht für Sauerstoff und H für Wasserstoff) hervorgerufen werden. Nun sieht es so aus, als ob ein weiteres Teilchen aus der Spaltung des Wassers durch Hochenergiestrahlen - das teilweise von Wassermolekülen umgebene Elektron an Grenzflächen - ein noch viel gefährlicheres Teilchen für das Erbgut von Lebewesen ist.", sagt Prof. Dr. Bernd Abel vom Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig und Seniorautor des Papers. "Wenn Hochenergiestrahlung auf die DNA einer Zelle trifft, dann kann sie damit gespalten und zerstört werden, ein Mechanismus der bei der Radiotherapie von Krebs ausgenutzt wird.", erklärt Prof. Abel. "Aber auch gesunde Zellen können durch Hochenergiestrahlung geschädigt werden." Zunächst schädigt die Primärstrahlung das Erbgut durch Ionisation und Spaltung. Die Primärstrahlung erzeugt außerdem eine Reihe von weiteren Teilchen - so zum Beispiel das teilweise in Wasser gelöste Elektron, das komplett abgebremste hydratisierte Elektron in Wasser und freie Radikale wie das OH-Radikal, die ebenfalls erbgutschädigend sind. "Und das OH-Radikal galt eben bisher als das gefährlichste Teilchen in diesem Teilchenzoo" so Prof. Abel weiter.
Neu entdeckt: Teilweise gelöstes Elektron an Grenzflächen Durch die neuen Ergebnisse der Leipziger Arbeitsgruppe in Kooperation mit Wissenschaftlern aus Göttingen und Berlin konnte gezeigt werden, dass die Elektronen in Wasser an Grenzflächen - wie z. B. an Membranen oder Grenzflächen von Biomolekülen eine besonders schädigende Wirkung haben können. Dies liegt an der Bindungsenergie, die energetisch sehr günstig für eine Spaltung von DNA-Strängen ist. Wie die Forscher zeigen konnten, leben diese Teilchen auch besonders lange, so dass sich ihre schädigende Wirkung besonders gut entfalten kann. So wurde nun 45 Jahre nach der Entdeckung des freien gelösten Elektrons in Wasser seine bisher unbekannte Bindungsenergie gemessen. Prof. Abel: "Dass es dabei auch noch eine bisher unbekannte Spezies gibt - das teilweise gelöste Elektron an einer Grenzfläche - ist neu. Seine Existenz und seine Lebensdauer wurden mit einer neuen Ultrakurzzeitapparatur (einer schnellen Kamera auf der Basis von Lasern für kurzlebige reaktive Teilchen) erstmalig aufgenommen."
Strahlungsdosen müssen in Zukunft neu bewertet werden "Die nun erstmalig bestimmten Bindungsenergien und Lebensdauern von vollständig und teilweise hydratisierten Elektronen in Wasser und an Wassergrenzflächen werden dazu führen, dass Strahlungsdosen in der Zukunft möglicherweise neu bewertet werden müssen und der neue DNA-Spaltungsmechanismus mit niederenergetischen Elektronen in Wasser könnte möglicherweise Auswirkungen für die Strahlentherapie von Krebs haben.", schlussfolgert Prof. Abel. Diskutiert und viel gelobt wurde der Beitrag im gleichen Heft von Daniel M. Neumark von der University of California in Berkeley, USA.
Zur Person: Prof. Dr. Bernd Abel aus dem Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig ist Mitglied der Graduiertenschule BuildMoNa, die im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder gefördert wird sowie im Profilbildenden Forschungsbereich 1 der Universität. Seit 2008 ist er Professor für Physikalische Chemie und Reaktionsdynamik an der Universität Leipzig. Dr. Oliver Link, Katrin Siefermann und Yaxing Liu sind Mitarbeiter der AG Abel am Institut für Physikalische Chemie in Göttingen. Katrin Siefermann ist außerdem Mitglied des Graduiertenkollegs 782 am Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen.
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