Analysen elektrisch geladener Tropfen für die Forschung
Bei der ESI-MS werden mittels Elektrospray Ionen erzeugt. Dabei wird an eine Flüssigkeit Hochspannung angelegt, sodass ein Aerosol entsteht, und nach Verdunstung und Fragmentierung entwickeln die Tröpfchen ladungsbedingte Instabilitäten. Nachdem mit ESI erstmals vor etwa 50 Jahren gearbeitet wurde, wurden mehrere experimentelle Techniken auf Basis von Aerosolen aus hochgeladenen Tropfen entwickelt, darunter auch ESI-MS. Geladene flüssige Tröpfchen bestehen normalerweise aus Lösungsmittel und Ladungsträgern (einfache Ionen oder auch Makroionen wie Proteine oder Nukleinsäuren). Das Projekt MISICD (Macromolecular ion-solvent interactions in charged droplets) sollte die komplexen chemischen und physikalischen Eigenschaften geladener Tröpfchen genauer untersuchen. Mehrere Faktoren beeinflussen den Ladungszustand und die Stabilität des Makromolekülkomplexes (Nukleinsäure oder Protein). Um ESI-MS jedoch als hochdurchsatzfähige, robuste experimentelle Methode zum Nachweis von Interaktionen zwischen Proteinen bzw. zwischen Proteinen und Liganden zu etablieren, ist noch zu wenig über die Prozesse und Ursachen bekannt, die die Stabilität von Proteinkomplexen beeinträchtigen. Das MISICD-Team beschrieb die Prozesse, die die Genauigkeit von ESI-MS beeinträchtigen, auf theoretischer Ebene. An molekularen Modellen untersuchte man den Einfluss von Faktoren wie Verdampfungsrate und spezifischer Tröpfchenmorphologie auf die Stabilität von Nukleinsäuren und Proteinen. Wie sich zeigte, verändert ein schwacher Proteinkomplex die Struktur und dissoziiert zu schrumpfenden Wassertröpfchen in Abhängigkeit von der Stabilität der Massenlösung. Das molekulare Computermodell enthüllte Desolvatationsprozesse der Tropfen, u.a. die Freisetzung von Wasser, das elektrostatisch an ein Partikel in einer wasserbasierten Lösung gebunden ist. Dieses Modell verbessert Qualitätsmessungen, was wiederum Kosten in der Arzneimittelforschung senken und Sprengstoffkontrollen auf Flughäfen durch genauere chemische Analysen vereinfachen kann. Genauere Kenntnisse der physikalischen Chemie geladener Tröpfchen können auch die Forschung zu atmosphärischen Aerosolen vorantreiben. Die molekulare Physik solcher Aerosole spielt eine wichtige Rolle für Klima- und Umweltanalysen. So tragen die von MISICD durchgeführten Berechnungsstudien der geladenen Wassertröpfchen dazu bei, wichtige politische Entscheidungen im Kampf gegen den Klimawandel zu vereinfachen.
Schlüsselbegriffe
Elektrisch geladene Tropfen, Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie, MISICD, Makromolekülkomplex, Desolvatation
