Der Kernspin beeinflusst biologische Prozesse, an denen Sauerstoff beteiligt ist

Die Wirkung, die Kernspins auf bestimmte biologische Prozesse haben, wurde erstmals von Forschern in Israel beobachtet. Das Team um Yossi Paltiel von der Hebräischen Universität Jerusalem führte zwei Experimente durch, die zeigten, wie Wechselwirkungen zwischen Sauerstoffisotopen und chiralen Biomolekülen vom Kernspin der Isotope abhängen.

Viele Prozesse in der natürlichen Welt werden durch den Spin der Elektronen beeinflusst – darunter die Photosynthese und die Fähigkeit einiger Tiere, das Erdmagnetfeld zu spüren. Bis vor Kurzem ging man jedoch davon aus, dass die Spins von Kernen keinen Einfluss auf biologische Prozesse haben.

Jetzt hat Paltiels Team herausgefunden, dass der Kernspin die Wechselwirkung verschiedener Sauerstoffisotope mit chiralen Biomolekülen beeinflussen kann.

„Unsere Forschung untersucht die Regel der Chiralität im Leben“, erklärt Paltiel. „Wir untersuchen derzeit den Effekt der ‚chiral induzierten Spinselektivität‘ (CISS), die einen Zusammenhang zwischen elektronischem Spin und Chiralität herstellt.“

Chiralität ist eine asymmetrische Eigenschaft eines Objekts, die nicht durch Rotationen und Translationen auf sein Spiegelbild abgebildet werden kann. Ein bekanntes Beispiel ist die menschliche Hand. Chiral leitet sich tatsächlich vom griechischen Wort für Hand ab und chirale Objekte werden entweder als rechts- oder linkshändig bezeichnet.

Viele wichtige Biomoleküle können in rechtshändigen und linkshändigen Versionen existieren, in der Natur dominiert jedoch tendenziell eine Chiralität. CISS bedeutet, dass Elektronen mit Spins in eine bestimmte Richtung (z. B. nach oben) auf andere Weise mit einem chiralen Molekül interagieren als Elektronen mit Spins in die entgegengesetzte Richtung (nach unten).

Jetzt haben Paltiel und Kollegen gezeigt, dass Kernspins auch für CISS relevant sind. Die Forscher führten zwei Experimente mit drei stabilen Sauerstoffisotopen durch. Dabei handelt es sich um Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18, die beide einen Kernspin von Null haben, und Sauerstoff-17, das einen Kernspin von 5/2 hat.

Ihr erstes Experiment beinhaltete die Elektrolyse von Wasser: ein lebenswichtiger Prozess in der Photosynthese. Dabei erzeugte das Team mithilfe des CISS-Effekts einen spinselektiven Elektronenstrom. Dies geschah durch Beschichten der Anode mit einer Schicht aus Molekülen mit einheitlicher Chiralität. An der Anode werden Sauerstoffmoleküle durch Elektrolyse erzeugt und es ist bekannt, dass diese Produktion verstärkt wird, wenn ein spinselektiver Elektronenstrom verwendet wird.

Das im Experiment verwendete Wasser enthielt die drei Sauerstoffisotope und die Forscher analysierten die Isotopenzusammensetzung des erzeugten Sauerstoffs, um festzustellen, ob diese durch den Kernspin beeinflusst wurde. Sie fanden heraus, dass bei Verwendung der chiralen Beschichtung deutlich weniger Sauerstoffmoleküle mit Sauerstoff-17 erzeugt wurden als bei Verwendung einer bloßen Anode. Dies, so das Team, zeige, dass es bei CISS auch um Kernspins gehen könne.

Im zweiten Experiment untersuchte Paltiels Team den Wassertransport durch die Membranen lebender menschlicher Zellen. Innerhalb einer Zellmembran wird Wasser durch spezielle Proteine ​​namens Aquaporine transportiert, die verhindern, dass andere Ionen oder gelöste Stoffe mit dem Wasser durchdringen.

Die für diese Selektivität verantwortlichen Moleküle sind chiral und bieten daher eine Möglichkeit zu testen, ob CISS am Wassertransportprozess beteiligt ist. Die Forscher untersuchten, wie Wassermoleküle, die Sauerstoff-17 und Sauerstoff-18 enthalten, durch Aquaporine transportiert werden. Sie fanden heraus, dass der Transport eines Isotops eindeutig dem anderen vorgezogen wurde, was wiederum zeigt, dass CISS am Transport von Wasser durch menschliche Zellen beteiligt ist.

Chiralität beeinflusst den Stromfluss in Graphentransistoren

„Unsere Forschung zeigt, dass der Kernspin eine entscheidende Rolle in biologischen Prozessen spielt, was darauf hindeutet, dass seine Manipulation zu bahnbrechenden Anwendungen in der Biotechnologie und Quantenbiologie führen könnte“, sagt Paltiel. „Dies könnte möglicherweise die Prozesse der Isotopenfraktionierung revolutionieren und neue Möglichkeiten in Bereichen wie der NMR [Kernspinresonanz] eröffnen.“

Bei der NMR werden die Kernspins in einem Material mithilfe externer Magnetfelder untersucht. Bisher waren jedoch die für die Technik geeigneten magnetischen Isotope in biologischen Systemen außer Wasserstoff äußerst selten und schwer zu reinigen. Die Entdeckung des Teams stellt eine mögliche Methode dar, das magnetische Isotop Sauerstoff-17 in biologischen Systemen anzureichern – was dann mithilfe von NMR nachgewiesen werden könnte.

Die Forscher glauben, dass ihre Experimente nur an der Oberfläche der Auswirkungen von CISS und Kernspin kratzen. Sie hoffen, dass die weitere Erforschung von Kernspins in der Biologie zu spannenden Anwendungen führen könnte.

Die Forschung wird in Proceedings of the National Academy of Sciences beschrieben.