Highlights der Physik 2016

ULM 27.9.-1.10.2016

MIT QUANTEN RIECHEN

Quantentechnologie in der Biologie

Nanometer: Groß und klein zugleich

Für Objekte unserer Alltagserfahrung gilt die klassische Physik. Auf atomarer Ebene und darunter sind die Gesetze der Quantenmechanik dominant. Es gibt allerdings eine spannende Übergangszone, in der beide Beschreibungen der Wirklichkeit beachtet werden müssen, um das Verhalten der Objekte zu verstehen. Dies ist die Welt der Nanoobjekte, der Biomoleküle, wie sie etwa für den Geruchssinn von Mensch und Tier, die Photosynthese von Pflanzen oder den Magnetfeldsinn von Vögeln verantwortlich sind.
Ein Nanometer (0,000 000 001 m) kann ein Protein enthalten, dessen Struktur und Funktion so komplex ist, dass sie selbst mit den größten Supercomputern nicht simuliert werden kann. Gleichzeitig ist ein Nanometer aber auch so klein, dass wir Objekte dieser Größe nicht aufbauen und nur schwer kontrollieren können.

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Biologie findet in Längenbereichen von Nanometern bis Metern und in Zeitbereichen von Femtosekunden bis Sekunden statt.

Der passende Geruchsschlüssel zum Riechschloss

Moleküle, die wir riechen, sind rund einen Nanometer groß. Die Quantenmechanik ist wichtig für die Beschreibung ihrer Eigenschaften, aber ist sie auch wichtig für den Mechanismus, mit denen unsere Geruchsrezeptoren in der Nase sie identifizieren?

Das Schlüssel-Schloss-Modell: Die Geruchsrezeptoren haben eine bestimmte Struktur, in die die Moleküle der Geruchsstoffe mit ihrer spezifischen Form genau hineinpassen müssen, damit wir den Geruch wahrnehmen.

Aber: Moleküle mit sehr unterschiedlicher Struktur können den gleichen Geruch haben. Und auch Moleküle mit sehr ähnlicher Struktur können Träger sehr unterschiedlicher Gerüche sein.

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Moschusgeruch entsteht durch ganz unterschiedliche Moleküle. Einige davon wurden speziell für die Parfümbranche entwickelt und sind patentiert.

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Ähnlich und doch ganz anders im Geruch: Ethanol (links) erzeugt den typischen Alkoholgeruch, das sehr ähnliche Ethanthiol (rechts, mit Schwefel (gelb) anstelle Sauerstoff (rot)) riecht intensiv nach faulen Eiern.

Quantenschlüssel für den Geruch

Im „Schlüsselkarten“-Modell (engl. „Swipe Card“) identifizieren die Geruchsrezeptoren, wie die Moleküle schwingen. Zwar muss auch hier die Form des Moleküls gut genug zum Rezeptor passen (wie die Schlüsselkarte in den Schlitz passt), doch die eigentliche Information ist in anderen Eigenschaften codiert – bei der Schlüsselkarte im Magnetstreifen.

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Für die Signalweiterleitung der Geruchsrezeptoren muss ein Elektron vom „Spender“ zum „Akzeptor“ gelangen. Ohne passendes Geruchsmolekül gelingt dies nicht. Erst, wenn ein Molekül genau solche Schwingungen durchführen kann, dass deren Energie der Höhe der Energielücke entspricht, sendet der Geruchsrezeptor ein Signal an das Gehirn.

Auf molekularer Ebene ist die codierte Information in den Schwingungen zu finden, die die Moleküle durchführen können. Die genaue Schwingungsfrequenz ist nämlich abhängig von den Massen der Atome, die das Molekül ausmachen und kann sich daher auch zwischen von der Form her ähnlichen Molekülen erheblich unterscheiden.

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Schwingungsspektrum des Moschus-Geruchsstoffs Exaltone (blau) im Vergleich zum d-28 Exaltone (grün), bei dem an einer Stelle ein Wassertoffatom gegen ein Deuterium-Atom ausgetauscht wurde. Die geometrische Form ist dabei praktisch unverändert.

 

 

 

Dabei sind die Geruchszellen so sensitiv, dass sie den Unterschied der chemisch identischen Wasserstoffisotope Wasserstoff (H) und Deuterium (D) ausmachen können, weil die Masse von D doppelt so groß wie die von H ist.

Letztlich ist es der quantenmechanische Tunneleffekt, der von den Geruchsrezeptoren verwendet wird. Wir riechen mit Quantenmechanik!