Strahlung ist eine unsichtbare Gefahr für chemische Systeme. Wir wissen, dass ionisierende Strahlung Proteine und DNA schwer schädigen kann. Doch wie genau entsteht dieser Schaden auf chemischer Ebene, und wie entwickelt er sich weiter? Ein Forschungsteam unter der Leitung des leitenden DESY-Wissenschaftlers Robin Santra am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) hat nun ein detailliertes Bild dieses Prozesses entwickelt.

Das Team simulierte, wie ein freies Elektron – je nach Energie – die Anordnung der Wassermoleküle stört. Dabei zeigte sich, dass diese Störung viel stärker von der anfänglichen Einbringung des Elektrons abhängt als bisher angenommen. Die Ergebnisse wurden im Journal of Physical Chemistry Letters veröffentlicht.

Der Mechanismus hat Konsequenzen für das Verständnis, wie komplexe lebenswichtige Moleküle durch ionisierende Strahlung zerstört werden. Biologische Zellen bestehen im Wesentlichen aus Wasser, in dem Biomoleküle gelöst oder in verschiedenen Zellkompartimenten organisiert sind. Nukleinsäuren wie DNA und mRNA sowie eine Vielzahl struktureller und funktioneller Proteine sind zwar in verschiedenen Kompartimenten lokalisiert – doch eines bleibt überall gleich: die Anwesenheit von Wasser.

Wenn ionisierende Strahlung – etwa Gammastrahlen, Röntgenstrahlen oder geladene Teilchen wie Alpha- oder Betateilchen – biologische Zellen durchdringt, entreißt sie den Molekülen, auf die sie trifft, mehrere Elektronen. Angesichts des hohen Wasseranteils in Zellen landen viele dieser freien Elektronen wahrscheinlich in einer wässrigen Umgebung.

„Im Vergleich zum primären Schaden durch die ionisierende Strahlung tragen die sekundären Effekte, die durch die Freisetzung dieser Elektronen in der Zelle entstehen, einen erheblichen Anteil zur gesamten Strahlungswirkung bei“, erklärt Robin Santra, leitender Wissenschaftler bei DESY und Professor an der Universität Hamburg.

Die Forschungsgruppe bei DESY führte Simulationen durch, um zu zeigen, was passiert, wenn plötzlich ein einzelnes Elektron in einer sonst normalen Wasserprobeauftaucht. Das Ergebnis: Es entsteht zunächst eine Art Blase, die sich im gesamten Wasser ausbreitet – alle Moleküle beginnen, anders als üblich zu reagieren. Die seltsamen Regeln der Quantenmechanik besagen, dass ein Elektron nicht exakt an einem Ort lokalisiert sein kann; seine Wirkung erstreckt sich daher zunächst über einen großen Bereich des Wassers.

„Das Elektron ist besonders delokalisiert – es bewegt sich frei durch das Wasser, und mit der Zeit wird es durch Wechselwirkungen mit den Wassermolekülen mehr und mehr auf einen begrenzten Raum eingeschränkt“, sagt Ludger Inhester, Wissenschaftler bei DESY und CFEL sowie Koautor der Studie. Bei diesem Prozess umgeben fünf oder sechs einzelne Wassermoleküle das Elektron und isolieren es vom Rest des Wassers. „Das Erstaunliche ist, dass diese kleinere Blase dann für längere Zeit stabil bleibt. Das Elektron befindet sich bevorzugt in einem Hohlraum zwischen den Wassermolekülen und minimiert so seine Wechselwirkung mit ihnen.“

Die Wechselwirkung zwischen dem überschüssigen Elektron und dem Wasser hängt stark davon ab, wie das Elektron ursprünglich injiziert wurde. „Wir beobachten, dass die Geschwindigkeit, mit der sich diese Elektronenblase bildet, deutlich zunimmt, wenn die ursprüngliche Ausdehnung des Überschusselektrons kleiner ist“, erklärt Nathaniel Okpara, Doktorand bei DESY und CFEL sowie Erstautor der Studie.

Obwohl das entstandene „Wasserkäfig“-Modell das überschüssige Elektron einsperrt, kann hier der Schaden seinen Lauf nehmen: Da sich die Wechselwirkung nun auf nur wenige Wassermoleküle konzentriert, wirkt sie auf jedes einzelne entsprechend stärker– und beeinflusst dadurch lokale Reaktionen mit anderen Molekülen, einschließlich wichtiger Biomoleküle wie der DNA.

Das Team möchte diesen Effekt künftig noch genauer untersuchen, auch unter diverseren Bedingungen – etwa wenn Ionen oder andere Chemikalien im Wasser vorhanden sind.

Die neue Arbeit entstand zudem im Rahmen des Exzellenzclusters „CUI: Advanced Imaging of Matter“ der Universität Hamburg. Die Erforschung des Wassers steht zudem im Fokus des entstehenden Centre for Molecular Water Science, das als internationale Kooperation auf dem DESY-Campus etabliert wird.

Originalveröffentlichung

Nathaniel Okpara, Mathilde Goullieux, Ludger Inhester, and Robin Santra, "Impact of Initial Electron Localization on Electron Solvation Dynamics in Liquid Water", The Journal of Physical Chemistry Letters 2026.

• DOI:10.1021/acs.jpclett.6c01216