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Picosecond orientational dynamics of water in living cells
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News

Wasser bleibt Wasser – auch in lebenden Zellen

 

12. Oktober 2017

Gemeinsames Team von Wissenschaftlern aus Mainz und Amsterdam zeigt, dass lebende Zellen die Eigenschaften von Wasser nicht weitreichend verändern

Lebende Zellen bestehen zu einem Großteil aus Wasser und sind mit Biomolekülen (z.B. DNA, Zucker, Eiweiße, Salze) vollgepackt. Es ist unumstritten, dass diese Biomoleküle die Eigenschaften des Wassers in Zellen beeinflussen. Aber in welchem Maße dies geschieht, wird in der Wissenschaft kontrovers diskutiert. So wird oft spekuliert, dass Biomoleküle nicht nur das Wasser in ihrer direkten Umgebung verändern, sondern sogar die Struktur in entfernteren Schichten im Abstand von über mehreren hundert Wassermolekülen beeinflussen. Dies geht hin bis zu der Bezeichnung des Wassers als biologisches Wasser, welches von einigen neben Eis, flüssigem Wasser und Dampf als vierter Aggregatzustand des Wassers angesehen wird.

Der Fragestellung, ob die Eigenschaften von Wasser in lebenden Zellen besonders sind, sind Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung und der Universität Amsterdam nachgegangen. Hierfür haben sich die Forscher die Rotation einzelner Wassermoleküle genau angesehen, da die Rotation von Wasser sehr empfindlich auf eine strukturelle Veränderung des Wassers reagiert. Dabei stellte sich heraus, dass sich das meiste Wasser in lebenden Zellen genau wie normales Leitungswasser verhält, nur ein kleiner Anteil aller Wassermoleküle in den untersuchten Zellen bewegte sich langsamer.

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Laserpulse und Mikrowellen zur Detektion des Rotationsverhaltens

Mit Hilfe von kurzen Laserpulsen und hochfrequenten Mikrowellen hat das Team die Rotationsbewegung von einzelnen Wassermolekülen unter die Lupe genommen. Durch Mikrowellen können Wassermoleküle (ähnlich der Funktionsweise eines Mikrowellenherdes) zum Rotieren gebracht werden, und die Rotation des Wassers kann somit durch die Absorption der Mikrowellenstrahlen untersucht werden. Mit den Laserpulsen werden Wassermoleküle, die in eine bestimmte Richtung zeigen, markiert, indem sie mit polarisiertem Licht zum Schwingen gebracht werden. Die Rotation der Moleküle kann dann durch Detektion der Ausrichtung der schwingenden Wassermoleküle in Echtzeit sichtbar gemacht werden.

Untersuchung von verschiedenen Zellen

In ihrer Studie haben die Wissenschaftler Wasser in drei verschiedenen Zellen untersucht: Hefezellen, E.Coli Bakterien sowie Sporen der Heubazillus Bakterien. Es stellte sich heraus, dass sich Wassermoleküle in lebenden Zellen genauso schnell drehen wie Wassermoleküle in Leitungswasser. Nur ein geringer Teil des Wassers in den Zellen, welches sich in direktem Kontakt mit den Biomolekülen befindet, rotiert langsamer. Dies gilt sogar für die relativ trockenen Sporen, welche extreme Umweltbedingungen, wie zum Beispiel langanhaltende Dürre, überleben können. Die Ergebnisse der Studie, welche im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht wurden, legen somit nahe, dass sich Wasser in Zellen genau wie normales Wasser verhält und es keinen Sinn ergibt, einen vierten Aggregatzustand des Wassers – biologisches Wasser – zu definieren. Fazit: Auch in lebenden Zellen bleibt Wasser einfach Wasser.

 
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