Zucker schmeckt nicht nur, Zucker schützt auch. Gibt man in eine wässrige Proteinlösung ein wenig Zucker, sind die Eiweiße darin besser vor Austrocknung und Erfrieren geschützt. Oder anders ausgedrückt: Zucker fungiert als Frostschutzmittel für die Zelle. Dass dem so ist, weiß die Forschung schon seit einiger Zeit. Nur:
"Das ist aber völlig unklar, woran das liegt","
sagt Martina Havenith, Physikerin an der Ruhr-Universität Bochum.
""Es gibt verschiedene spekulative Ideen dazu, dass sich der Zucker zwischen das Wasser und das Protein schieben könnte. Und eine andere Theorie ist, dass der Zucker das Wasser beeinflusst und die Wasserbewegung verlangsamt."
Havenith wollte es genau wissen und die Hypothese der verlangsamten Wasserbewegung überprüfen. Dazu musste sie diese Bewegung natürlich beobachten. Das Problem: Wassermoleküle bewegen sich blitzschnell - schneller als eine billionstel Sekunde. Die üblichen Messmethoden erwiesen sich dafür als viel zu langsam. Die Bilder, die sie lieferten, waren regelrecht verwischt. Havenith:
"Wie bei einer Fotografie: Wenn Sie die Belichtungszeit zu lange machen, und die Zuschauer von der einen Seite auf die andere rennen, dann werden Sie nicht mehr die Zuschauer von links und rechts unterscheiden können, wenn Sie die Belichtungszeit zu lange machen."
Also griff Martina Havenith zu einer noch jungen, extrem schnellen Methode, der Terahertz-Spektroskopie. Wie Radiosignale und Licht zählen Terahertzwellen zur elektromagnetischen Strahlung. Bis vor kurzem aber gab es für Terahertz-Bereich so gut wie keine bezahlbaren Lampen oder Sensoren. Genau das ändert sich gerade. Havenith:
"Es ist wirklich jetzt zu einer Revolution gekommen in der Terahertz-Technologie."
Die neuesten Terahertz-Laser und -sensoren sind so schnell, dass sie die Bewegung von Wassermolekülen verfolgen können. Martina Havenith studierte mit ihnen das Schwingungsverhalten von Zuckerwasser:
"Wir haben Terahertz-Spektren untersucht von Laktose in Wasser und konnten eindeutig einen Einfluss des Zuckers auf die Struktur des Wassers in der unmittelbaren Umgebung sehen. 110 Wassermoleküle werden dadurch beeinflusst in ihren Bewegungen."
Konkret bedeutet das: Löst man Laktose, also Milchzucker, in Wasser auf, macht jedes aufgelöste Zuckermolekül die 110 Wassermoleküle um sich herum steifer, unbeweglicher - und damit langsamer. Martina Havenith hat dafür auch schon eine Erklärung parat:
"Weil es eine direkte Wechselwirkung gibt. Wasser kann binden mit Wasserstoffbrücken an den Zucker und sieht eine anziehende Kraft und kann sich nicht mehr beliebig in jede Richtung bewegen."
Nur: Warum das steife Zuckerwasser die Eiweißmoleküle in der Zelle vorm Austrocknen und Erfrieren schützt - das weiß die Physikerin noch nicht so genau:
"Das ist noch alles sehr spekulativ. Es kann eben sein, dadurch dass das Wasser langsamer wird, auch die Prozesse im Protein langsamer ablaufen."
Dahinter steckt folgende Idee: Das Wasser in einer Zelle ist nicht wie lange vermutet ein passiver Zuschauer der biologischen Prozesse. Sondern es ist ein aktiver Mitspieler, der sich rege am Geschehen beteiligt. Havenith:
"Wenn ich es bildlich übersetze: Die Wassermoleküle sind dann so etwas wie Fußballspieler, die von außen dagegen treten und dadurch gewisse Prozesse in Gang setzen. Und wenn die langsamer treten, könnten auch die Prozesse verlangsamt sein."
Und ähnlich wie ein Bär seinen Stoffwechsel verlangsamt, um schlafend durch den Winter zu kommen, könnten sich auch die Eiweiße durch gemächlicheres Tun und Treiben vorm Erfrieren und vorm Austrocknen schützen - so jedenfalls die Idee. Und vielleicht, so mutmaßt Havenith, beeinflusst das Fußball spielende Wasser ja auch noch andere wichtige Bio-Prozesse - etwa wenn sich Proteine in ihre korrekte Form falten.
"Das ist aber völlig unklar, woran das liegt","
sagt Martina Havenith, Physikerin an der Ruhr-Universität Bochum.
""Es gibt verschiedene spekulative Ideen dazu, dass sich der Zucker zwischen das Wasser und das Protein schieben könnte. Und eine andere Theorie ist, dass der Zucker das Wasser beeinflusst und die Wasserbewegung verlangsamt."
Havenith wollte es genau wissen und die Hypothese der verlangsamten Wasserbewegung überprüfen. Dazu musste sie diese Bewegung natürlich beobachten. Das Problem: Wassermoleküle bewegen sich blitzschnell - schneller als eine billionstel Sekunde. Die üblichen Messmethoden erwiesen sich dafür als viel zu langsam. Die Bilder, die sie lieferten, waren regelrecht verwischt. Havenith:
"Wie bei einer Fotografie: Wenn Sie die Belichtungszeit zu lange machen, und die Zuschauer von der einen Seite auf die andere rennen, dann werden Sie nicht mehr die Zuschauer von links und rechts unterscheiden können, wenn Sie die Belichtungszeit zu lange machen."
Also griff Martina Havenith zu einer noch jungen, extrem schnellen Methode, der Terahertz-Spektroskopie. Wie Radiosignale und Licht zählen Terahertzwellen zur elektromagnetischen Strahlung. Bis vor kurzem aber gab es für Terahertz-Bereich so gut wie keine bezahlbaren Lampen oder Sensoren. Genau das ändert sich gerade. Havenith:
"Es ist wirklich jetzt zu einer Revolution gekommen in der Terahertz-Technologie."
Die neuesten Terahertz-Laser und -sensoren sind so schnell, dass sie die Bewegung von Wassermolekülen verfolgen können. Martina Havenith studierte mit ihnen das Schwingungsverhalten von Zuckerwasser:
"Wir haben Terahertz-Spektren untersucht von Laktose in Wasser und konnten eindeutig einen Einfluss des Zuckers auf die Struktur des Wassers in der unmittelbaren Umgebung sehen. 110 Wassermoleküle werden dadurch beeinflusst in ihren Bewegungen."
Konkret bedeutet das: Löst man Laktose, also Milchzucker, in Wasser auf, macht jedes aufgelöste Zuckermolekül die 110 Wassermoleküle um sich herum steifer, unbeweglicher - und damit langsamer. Martina Havenith hat dafür auch schon eine Erklärung parat:
"Weil es eine direkte Wechselwirkung gibt. Wasser kann binden mit Wasserstoffbrücken an den Zucker und sieht eine anziehende Kraft und kann sich nicht mehr beliebig in jede Richtung bewegen."
Nur: Warum das steife Zuckerwasser die Eiweißmoleküle in der Zelle vorm Austrocknen und Erfrieren schützt - das weiß die Physikerin noch nicht so genau:
"Das ist noch alles sehr spekulativ. Es kann eben sein, dadurch dass das Wasser langsamer wird, auch die Prozesse im Protein langsamer ablaufen."
Dahinter steckt folgende Idee: Das Wasser in einer Zelle ist nicht wie lange vermutet ein passiver Zuschauer der biologischen Prozesse. Sondern es ist ein aktiver Mitspieler, der sich rege am Geschehen beteiligt. Havenith:
"Wenn ich es bildlich übersetze: Die Wassermoleküle sind dann so etwas wie Fußballspieler, die von außen dagegen treten und dadurch gewisse Prozesse in Gang setzen. Und wenn die langsamer treten, könnten auch die Prozesse verlangsamt sein."
Und ähnlich wie ein Bär seinen Stoffwechsel verlangsamt, um schlafend durch den Winter zu kommen, könnten sich auch die Eiweiße durch gemächlicheres Tun und Treiben vorm Erfrieren und vorm Austrocknen schützen - so jedenfalls die Idee. Und vielleicht, so mutmaßt Havenith, beeinflusst das Fußball spielende Wasser ja auch noch andere wichtige Bio-Prozesse - etwa wenn sich Proteine in ihre korrekte Form falten.