Natrium ist das sechsthäufigste Element der Erde, in unbelebter Materie ist es als Bestandteil des Kochsalzes (NaCl) bekannt, in Lebewesen spielt Natrium eine zentrale Rolle bei der biologischen Energie- und Signalübertragung. In den zellulären Mechanismen der Nervenleitung sind die zeitlichen Veränderungen der Natriumkonzentration am Entstehen eines Nervenimpulses (Aktionspotenzial) beteiligt. Die Ausbildung eines Natriumgradienten über die Zellmembran entsteht durch Membranproteine, die sogenannten Natriumpumpen, die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Natriumionen von der einen Seite der Membran auf die andere transportieren. „Wie die dafür verantwortlichen Strukturänderungen räumlich und zeitlich koordiniert ablaufen, war bis dato nicht bekannt,“ erläutert Joachim Heberle. Die Forschenden deckten mit ihren Untersuchungen außerdem die molekularen Veränderungen auf, mit denen die Pumpe verhindert, dass die einmal aus der Zelle beförderten Natrium-Ionen wieder durch sie in die Zelle zurückströmen. „Dafür zeigt eine spezifische Protonentransferreaktion verantwortlich, die die Richtung der Natriumpumpe bestimmt“, erklärt der Biophysiker.

Für die zeitaufgelösten Experimenten an der Natriumpumpe nutzte das Forschungsteam das Rezeptormolekül Krokinobacter eikastus rhodopsin 2, kurz KR2. „KR2 kann durch einen ultrakurzen sichtbaren Laserpuls photoaktiviert werden und durchläuft dann eine Photoreaktion“, erklärt Joachim Heberle. In dem Versuch betrugen die Zeitintervalle zwischen dem aktivierenden, sichtbaren Laserpuls und dem beobachtenden Röntgenpuls zwischen 800 Femto- und 20 Millisekunden. „Durch jeden Röntgenpuls entsteht eine einzelne Aufnahme der durch das Licht induzierten Strukturänderungen im Protein“, erläutert der Wissenschaftler. Für die vorliegenden Untersuchungen nutzte die Arbeitsgruppe von Jörg Standfuss am Paul-Scherrer-Instituts einen Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL. Die damit erstellten Bilder setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dann zu einem Film zusammen. 

Da die Positionsänderungen von massearmen Teilchen wie Elektronen und Protonen, die für den Mechanismus von Proteinen von entscheidender Bedeutung sein können, mit dieser Technik nur schwer aufgelöst werden können, kombinierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diese Methode mit einer weiteren: der Spektroskopie, die den sichtbaren und infraroten Spektralbereich abdeckt. Die entsprechenden zeitaufgelösten Experimente an Kristallen wurden am Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin von David Ehrenberg, Doktorand in der Arbeitsgruppe Experimentelle Molekulare Biophysik unter der Leitung von Prof. Dr. Joachim Heberle ausgeführt.

Die experimentellen Resultate wurden unterstützt durch quantenmechanische Berechnungen, die aufgrund der Größe der simulierten Moleküle ebenfalls eine große Herausforderung darstellen. Hier trug Dr. Rajiv K. Kar aus der Arbeitsgruppe von Dr. Igor Schapiro vom Fritz Haber Center for Molecular Dynamics und der Hebrew University of Jerusalem, die Berechnung von elektronischen und vibronischen Spektren auf der Basis der Kristallstrukturen der Photozyklusintermediate bei. „Diese Berechnungen waren grundlegend für die Interpretation der experimentellen Daten“, sagt Heberle.

Die Arbeiten werden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1078 der Freien Universität Berlin gefördert, dessen Sprecher Joachim Heberle ist. Innerhalb dieses Forschungsverbunds wird die Rolle der Protonierungsdynamik bei der Proteinfunktion auf atomarer Ebene erforscht. Methodisch wird dazu eine Kombination aus neuen biophysikalischen Experimenten mit molekularen Simulationen und quantenchemischen Berechnungen eingesetzt. Mit dieser Grundlagenforschung können neue Ansätze in den Energiewissenschaften (lichtgetriebene Wasseroxidation) angeregt und die Entwicklung neuer maßgeschneiderter Werkzeuge in der Biomedizin unterstützt werden (Optogenetik).