Die Macht der Bilder

Wieviel einfacher wäre die Chemie, wenn man ihre Bausteine nur sehen könnte! Weil Atome und Moleküle unsichtbar bleiben, ist diese Wissenschaft zugleich eine der abstraktesten, und das obwohl sich die Chemie wie kaum ein anderes Fach mit handfesten Alltagsthemen beschäftigt. So real moderne Darstellungen von Molekülen scheinen mögen – Chemiker wissen nicht, wie Moleküle wirklich aussehen. Alles was wir haben sind Interpretationen von Daten.

Es sieht allerdings so aus als würde sich das jetzt ändern. Neuerdings gibt es tatsächlich direkte Abbildungen von einzelnen Molekülen, aufgenommen mit einem Rasterkraftmikroskop. Vor ziemlich genau einem Jahr hat die Arbeitsgruppe von Leo Gross die ersten solchen Bilder präsentiert (zufällig vom Pentacen, das mir sehr am Herzen liegt). Die Idee ist natürlich, dass man die Struktur im Bild einfach sehen kann, statt sie sich aus spektroskopischen Daten mühsam zusammenzufrickeln. Vor einer Weile – ich bin spät dran mit diesem Beitrag – haben Gross et al. ihre Methode dann einem ersten Härtetest unterzogen.

Es geht um den Naturstoff Cephalandol A, der die Summenformel C16H10N2O2 hat und unter anderem von der Mikrobe Dermacoccus abyssi hergestellt wird. Aufgetaucht ist das Zeugs bei der Suche nach neuen Verbindungsklassen für die Pharmaforschung, die bevorzugt in Organismen vermutet werden, die jemand aus den hinterletzten Winkeln des Planeten gekratzt hat. Das fragliche Vieh kam mit einem Bohrkern aus dem elf Kilometer tiefen Challenger Deep im Marianengraben ans Tageslicht. An der molekularen Struktur von Cephalandol A hatten andere Wissenschaftler mit konventionellen Verfahren ziemlich zu knabbern, was Gross und Kollegen zur Probe aufs Exempel bewogen hat, ob ihre Methode besser abschneidet.

Das grundsätzliche Problem dabei ist die enorme Vielfalt an möglichen Strukturen, die es voneinander zu unterscheiden gilt. Die Spektroskopie und andere herkömmliche Methoden der Strukturaufklärung sehen nicht das ganze Molekül, sondern nur isolierte Atomgruppen, die auf das jeweilige Verfahren mit einem spezifischen Signal reagieren. Die Kernresonanzspektroskopie (NMR) zum Beispiel verrät einiges darüber, welche Atome nebeneinander liegen, die Schwingungsspektroskopie erkennt einfach und doppelt gebundene Atome und dergleichen, doch das Gesamtbild muss man aus diesen Daten erst einmal rekonstruieren.


Die vier zur Auswahl stehenden Strukturen für Cephalandol A. Wu, Hsu und Yao tippten 2006 auf Nummer zwei, was sich später als falsch erwies. Die richtige Struktur ist 1.

Beim Cephalandol gibt es denn auch vier mögliche Strukturen, die mit den an der Probe gemessenen 2D-NMR-Spektren (hier COSY und HMBC) konsistent sind. In der ersten Veröffentlichung über diesen Stoff griffen die beteiligten Forscher auch prompt ins Klo, veröffentlichten die falsche Struktur und durften sich zwei Jahre später von Kollegen öffentlich korrigieren lassen. Ärgerlich.

Mit ihrer neuen Methode, sagen jedenfalls Gross et al., wäre das wohl nicht passiert. So ganz sicher bin ich da zwar nicht, aber die Ergebnisse, die sie in dem neuen Paper präsentieren, sind schon eindrucksvoll. Wie bei den Pentacen-Bildern erzeugt die modifizierte Spitze eines Rasterkraftmikroskops das Bild, indem sie das auf einer Oberfläche liegende Molekül buchstäblich abtastet. Die Sonde besteht aus einer kleinen Metallfeder, die mit einer bestimmten Frequenz vibriert. Je nachdem wie stark die Wechselwirkung mit der Oberfläche ist, ändert sich diese Frequenz.

Diese Methode ist so sensibel, dass man mit ihr Strukturen auf Metalloberflächen im atomaren Maßstab kartieren (und manipulieren) kann. Für einzelne Moleküle ist allerdings eine höhere Auflösung erforderlich: Eine normale Sondenspitze aus Metall ist zu breit und unregelmäßig, um Bindungen zwischen Atomen darzustellen. Gross und Kollegen kleben deswegen einfach ein einzelnes Molekül Kohlenmonoxid hochkant an die Spitze, so dass sie sicher sein können, dass ihre Sonde genau ein Atom breit ist. Das reicht, um die Bilder zu erzeugen, die ihr hier seht.


Mit dem Rasterkraftmikroskop aufgenommenes Bild von Cephalandol A und mit darübergelegter Strukturformel. Aus Gross et al.

Für den Anfang ist das gar nicht schlecht. Man kann zum Beispiel das Grundgerüst des Moleküls erkennen und auf den ersten Blick sehen, dass das untersuchte Molekül nicht die Struktur 3 oder 4 haben kann. Leider ist der sauerstoffhaltige Lactonring, dessen Struktur ebenfalls unklar ist, nicht gut aufgelöst. Die Autoren führen das entweder auf die besondere elektronische Umgebung an dieser Stelle des Moleküls zurück oder alternativ darauf, dass das Molekül in sich verdreht ist und nicht ganz flach auf der Unterlage liegt.

Letzteres erscheint mir plausibler, obwohl noch nicht so ganz klar ist, wie sich Heteroatome bei diesem Verfahren Verhalten. Auf jeden Fall zeigt der Stickstoff im Indol einen geringeren Kontrast zur Umgebung als der Rest des Moleküls, während das Imin gut zu sehen ist. Etwas Vergleichbares würde ich dann auch bei C-O-C und C=O erwarten. Dass keine dieser beiden Gruppen zu erkennen ist, deutet eher darauf hin, dass dieser Teil des Moleküls insgesamt nicht flach auf dem Substrat liegt, sondern gekippt ist.

Die Autoren haben es natürlich trotzdem geschafft, die beiden verbleibenden möglichen Strukturen zu unterscheiden, und zwar mit Hilfe der Struktur der Unterlage. Die Moleküle liegen auf einer dünnen Schicht Kochsalz, die regelmäßig strukturiert ist und auf der ein Molekül nicht beliebig herumliegen kann, sondern bestimmte Positionen einnehmen muss. Indem sie die Position der Moleküle relativ zum Kristallgitter vermessen und anschließend mit einem geeigneten Computermodell verglichen haben, sind Gross et al. dann tatsächlich zu dem Schluss gekommen, dass Struktur 1 dem gesuchten Cephalandol A entspricht. Mit dem kleinen Schönheitsfehler, dass sie das vorher schon wussten. Aber es ist wohl nur eine Frage der Zeit, bis das Verfahren an einem wirklich unbekannten Molekül getestet wird.

Gross, L., Mohn, F., Moll, N., Meyer, G., Ebel, R., Abdel-Mageed, W., & Jaspars, M. (2010). Organic structure determination using atomic-resolution scanning probe microscopy Nature Chemistry DOI: 10.1038/NCHEM.765

Lars Fischer

Veröffentlicht von

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Ich bin gelernter Chemielaborant und habe ab 1999 in diesem Beruf gearbeitet. Anschliessend habe ich an der Uni Hamburg Chemie studiert. Seit dem Abschluss Ende 2006 veröffentliche ich Beiträge in meinem Fischblog und verkaufe Artikel an andere Publikationen. Seit 2008 wohne ich im Raum Heidelberg und bin bei Spektrum der Wissenschaft für das Blogportal Scilogs verantwortlich. Daneben arbeite ich als freier Journalist und Redakteur unter anderem für die digitalen Angebote von Spektrum, veröffentliche auf verschiedenen Social-Media-Plattformen und experimentiere mit Mobile Reporting. Zu meiner Webseite

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