Helmholtz-Preis für zwei bahnbrechende Messmethoden

„Alle bisherigen Helmholtzpreisträger haben mit ihren Arbeiten die Kunst des Messens nachhaltig vorangebracht und viele zählen heute zu den renommiertesten Forschern in der Metrologie“, sagt Dr. Joachim Ullrich, Präsident der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und Vorsitzer des Helmholtz-Fonds. „Wir sind sicher, dass es auch diesmal so sein wird.“ Dies sind die Leistungen der geehrten Forschungsgruppen:

Protein-Analyse: Spezielle DNA-Moleküle erlauben den gleichzeitigen Nachweis vieler unterschiedlicher Eiweißmoleküle

Die Entschlüsselung des Erbgutes ist eines der spektakulärsten Forschungsgebiete der biologischen Wissenschaft. Die Gene der DNA enthalten die Information zum Bau verschiedenster Eiweiße, der Proteine. Ein etabliertes Verfahren, Proteine ohne vorherige chemische Veränderung zu identifizieren, verwendet sogenannte Nanoporen. Das sind winzige Kanäle in einer Membran mit jeweils einem unvorstellbar kleinen Volumen von etwa 10^-24 m³. Eine bahnbrechende Neuerung auf dem Gebiet der Molekülmessung mit Nanoporen ist den Forschern um Nicholas A. W. Bell und Ulrich Keyser vom Cavendish Laboratory der Universität Cambridge gelungen. Sie kombinierten das klassische Verfahren mit einer neuartigen Nachweismethode. Dazu stellten die Wissenschaftler eine Bibliothek aus maßgeschneiderten, gefalteten DNA-Molekülen (DNA-Origami) her, die jeweils über einen molekularen Barcode genau ein Protein an sich binden können.  Diese können dann mit 94%iger Sicherheit über elektrische Messmethoden identifiziert werden. Neben der sehr hohen Selektivität können mit Hilfe des neuen Verfahrens erstmals bis zu vier verschiedene Proteine simultan erkannt werden.

Die Herstellung der Nanoporen für dieses neue Verfahren ist wesentlich einfacher als für klassische Verfahren, da die Nanoporen universell eingesetzt werden können und nicht mehr für jedes zu identifizierende Protein angepasst werden müssen. Die Detektionsmethode funktioniert rein elektrisch und ist daher ideal für eine Miniaturisierung geeignet. Denkbar ist der Einsatz in Lab-on-a-chip-Systemen oder als tragbare Sensoren, quasi als Protein-Analyse für die Hosentasche.

Bindungsenergien in Helium₂ und Helium₃ gemessen

Helium ist ein Edelgas und sollte nach Meinung der Standardlehrbücher der Chemie keine Bindung mit anderen Atomen eingehen. Dass dies manchmal trotzdem geschieht, ist schon länger bekannt. Nun ist es der Forschergruppe um Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik an der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main weltweit erstmals gelungen, zweiatomige Helium-Dimere (He₂) und dreiatomige Helium-Trimere (He₃) zu erzeugen und deren Bindungsenergien präzise zu messen.

Die Bindungen zwischen den beiden Heliumatomen sind in He₂ nur ein Zehnmillionstel so stark wie  in typischen Molekülen wie Wasser oder Wasserstoff. Die Bindungsenergie für das Helium-Dimer beträgt nach den Messungen der Preisträger 151,9 ± 13,3 neV, die für das Helium-Trimer, ein Komplex aus drei gebunden Helium Atomen,  236 ± 23 neV. Die Frankfurter Forscher bestätigten weiterhin eine ungewöhnliche Dreierstruktur (Efimov-Zustand) des He₃-Moleküls, die bereits vor fast 40 Jahren von dem russischen Forscher Vitaly Efimov theoretisch vorhergesagt wurde. Für die Messung der extrem geringen Bindungsenergien näherten sich die Forscher mit einem Trick, indem sie die Moleküle gezielt zerstören und aus den Fragmenten Rückschlüsse auf die Bindungsenergie ziehen.

Die damit experimentell bestätigten Werte sind für die Metrologie bei tiefen Temperaturen von großer Bedeutung. Die Realgaseigenschaften, u. a. die thermische Leitfähigkeit, die Viskosität oder die dielektrischen Eigenschaften von Helium bei Temperaturen unterhalb weniger Kelvin können nun wesentlich genauer theoretisch berechnet und mit präzisen Messungen verglichen werden. 

Der Helmholtz-Preis

Er wird für hervorragende wissenschaftliche und technologische Forschung auf dem Gebiet „Präzisionsmessung in Physik, Chemie und Medizin“ verliehen und in diesem Jahr erstmalig in den zwei Kategorien "Grundlagen" und "Anwendungen". Die Preisverleihung findet im feierlichen Rahmen des Workshops „Round and ready – dissemination of the kilogram via Si spheres“ am 22. Juni 2016 im Seminarzentrum der PTB statt. if/sp/ptb

Die Preisträger

• Maksim Kunitzki, Stefan Zeller, Jörg Voigtsberger, Till Jahnke, Reinhard Dörner (alle Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main): Vermessung der Bindungsenergien von molekularen Quanten-Halos mit neV-Präzision

• Nicholas A. W. Bell, Ulrich F. Keyser (beide Cavendish Laboratory Universität Cambridge): Digitally encoded DNA nanostructures for multiplexed, single-molecule protein sensing with nanopores