Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.07.2005

Wasser an biologischen Grenzflächen

Prof. Dr. Roland Netz
Technische Universität München
Lehrstuhl für Physik T37 - Theoretische Physik

Prof. Dr. Fyl Pincus
University of California, Santa Barbara
Materials Research Laboratory


Grenzflächen und Oberflächen spielen in der Biologie eine außerordentlich wichtige Rolle. Beispiele sind Membranen, auf denen ein Großteil der biologischen Aktivitäten konzentriert abläuft, aber auch die Oberflächen von allen Makromolekülen die bei Erkennungs und Bindungsprozessen wichtig sind. Beim Modellieren der Oberflächen wird das Wasser typischerweise vernachlässigt oder aber durch grobe Näherungen ersetzt berücksichtigt. Unser Ziel ist es durch eine Kombination von ab-initio quantenchemischen Rechnungen, analytischen Näherungen und von dynamischen Simulationsmethoden die Bedeutung der Wasserstruktur an Oberflächen und, damit eng verbunden, der biologisch relevanten Ionenspezifizität zu untersuchen. Konkret möchten wir Oberflächenpotentiale und Oberflächenspannungen von wässerigen Elektrolytlösungen für verschiedene Ionentypen berechnen und mit dem Experiment vergleichen. Die Berechnung von Ionenprofilen an Oberflächen ist theoretisch relativ direkt durchführbar, experimentell gibt es hier wenig Daten. Hier erhoffen wir Fortschritte durch anomale Röntgenstreuung.

Abschlussbericht
Im Förderprojekt "Water at Biological Interfaces" ging es um biologisch relevante Fragestellungen die mit der Wasserstruktur und ionenspezifischen Eigenschaften an Oberflächen zu tun haben. Im Jahr 2005 besuchte uns Herr Dr. Yong-Woon Kim aus der Arbeitsgruppe von Prof. P. Pincus an der University of California für zwei Wochen und wir konnten eingehend die fachliche Koordinierung der geplanten Untersuchungen planen. Im Jahr 2006 konnten drei meiner Mitarbeiter für jeweils 2 Wochen an der UCSB forschen.

Im einzelnen haben wir mit Hilfe von Molekular-Dynamik Simulationen die Wasserstruktur an Self-Assembled-Monolayers (SAM) und an hydrophoben einkristallinen Diamantoberflächen untersucht und die Ionenverteilung von Fluorid, Chlorid, Bromid und Jodid Ionen untersucht. Dabei stellte es sich als wesentlich heraus, die Polarisierbarkeit der Ionen in der Simulation zu berücksichtigen, da die starke lokale elektrische Feldstärke in der grenzflächennahen Wasserschicht zu einer hohen Polarisierungsladung führt. In Übereinstimmung mit experimentellen Befunden adsorbieren die großen Jodid und Bromid Ionen an einer hydrophoben Oberfläche, hingegen Fluorid und Chlorid werden abgestoßen. In der Zukunft möchten wir die berechneten Ionenadsorptionsprofile, die als effektive Wechselwirkungen zwischen der Grenzfläche und den Ionen interpretiert werden können, in coarse-grained analytischen Modellen benutzen um eine verfeinerte theoretische Beschreibung von geladenen und neutralen Oberflächen zu erreichen.