[{"@context":"http:\/\/schema.org\/","@type":"BlogPosting","@id":"https:\/\/wiki.edu.vn\/wiki48\/2021\/12\/27\/serena-debeer-wikipedia\/#BlogPosting","mainEntityOfPage":"https:\/\/wiki.edu.vn\/wiki48\/2021\/12\/27\/serena-debeer-wikipedia\/","headline":"Serena DeBeer \u2013 Wikipedia","name":"Serena DeBeer \u2013 Wikipedia","description":"Serena DeBeer (geboren 1973) ist eine US-amerikanische Chemikerin. 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Sie ist derzeit eine W3-Professorin und Direktorin am Max-Planck-Institut f\u00fcr Chemische Energiekonversion in M\u00fclheim an der Ruhr, Deutschland wo sie die Abteilung f\u00fcr anorganische Spektroskopie leitet. Ihre Expertise liegt in der Entwicklung und Anwendung r\u00f6ntgenspektroskopischer Methoden zur Aufkl\u00e4rung der elektronischen Struktur von biologischen und chemischen Katalysatoren.  Serena DeBeer studierte an der Southwestern University in Georgetown, Texas, USA, wo sie 1995 ihren Bachelor in Chemie mit Mathematik als Nebenfach mit Auszeichnung abschloss. 2002 promovierte sie an der Stanford University unter der Betreuung von Edward I. Solomon und Keith O. Hodgson. Von 2001 bis 2003 arbeitete sie als Beamline Scientist am Stanford Synchrotron Radiation Laboratory und sp\u00e4ter, bis 2009, als wissenschaftliche Mitarbeiterin am SLAC National Accelerator Laboratory. Im Herbst 2009 zog sie nach Ithaca, New York, USA, um an der Cornell University als Assistenzprofessorin in der Abteilung f\u00fcr Chemie und chemische Biologie zu arbeiten.[1] Im Sommer 2011 begann sie ihre Arbeit als W2-Professorin und Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut f\u00fcr Bioanorganische Chemie (Umbenennung 2012 in Max-Planck-Institut f\u00fcr Chemische Energiekonversion, MPI CEC) in M\u00fclheim an der Ruhr. Seit 2012 ist sie au\u00dferordentliche Professorin an der Cornell University und seit 2014 ehrenamtliches Fakult\u00e4tsmitglied an der Ruhr-Universit\u00e4t Bochum.[2] Nachdem DeBeer bis 2017 die Forschungsgruppe \u201eR\u00f6ntgenspektroskopie\u201c am MPI CEC leitete, wurde sie zur Direktorin am selben Institut berufen und auf eine W3-Professur bef\u00f6rdert. Aktuell leitet sie die Abteilung \u201eAnorganische Spektroskopie\u201c[3] am MPI CEC. Dar\u00fcber hinaus ist sie Gruppenleiterin des PINK Strahllinien-Projekts[4] am Energy Materials In-Situ Laboratory[5] des Helmholtz-Zentrums Berlin f\u00fcr Materialien und Energie.Die DeBeer-Gruppe befasst sich mit grundlegenden Fragen der Energieforschung, n\u00e4mlich, wie genau Energie in Form chemischer Bindungen mithilfe von auf der Erde in gro\u00dfen Mengen vorhandenen \u00dcbergangsmetallen auf reversible Weise gespeichert und freigesetzt werden kann; und weiters, wie dies m\u00f6glichst effizient abl\u00e4uft. Ihre Forschungsgruppe untersucht homogene, heterogene als auch biologische Katalysatoren um Antworten auf diese Fragen zu finden, wobei der Fokus in erster Linie der enzymatischen Katalyse gilt. Serena DeBeer ist eine Expertin in der Anwendung fortschrittlicher R\u00f6ntgenspektroskopie, um katalytische Transformationen zu verstehen.Table of Contents  Nitrogenase[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Methan-Monooxygenase[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Spektroskopische Methodenentwicklung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Valenzelektronen-R\u00f6ntgenemissionsspektroskopie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Resonante Valenzelektronen-R\u00f6ntgenemissionsspektroskopie (\u201eRXES\u201c, auch \u201eResonante Inelastische R\u00f6ntgenstreuung\u201c, \u201eRIXS\u201c)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Zirkularer magnetischer R\u00f6ntgendichroismusspektroskopie (X-ray Magnetic Circular Dichroism, \u201eXMCD\u201c)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Instrumentelle Ausstattung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Dispersives R\u00f6ntgenemissionsspektrometer f\u00fcr das Labor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]PINK Strahllinie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Nitrogenase[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das Hauptaugenmerk ihrer Forschung liegt in der Untersuchung jenes Enzyms, welches f\u00fcr die Umwandlung von Stickstoff (N2) in Ammoniak (NH3) verantwortlich ist \u2013 Nitrogenase. Serena DeBeer und ihre Gruppe untersuchen dieses au\u00dfergew\u00f6hnliche System, welches einen FeMo Cofaktor (FeMoco) in seinem aktiven Zentrum beherbergt, sowie einfachere Modellkomplexe mit hochaufl\u00f6sender R\u00f6ntgenabsorptions- (XAS) und emissionsspektroskopie (XES). Diese Arbeiten trugen ma\u00dfgeblich zum Verst\u00e4ndnis dieses aktiven Zentrums bei. Ein essentieller Beitrag hierf\u00fcr war die Identifizierung des Zentralatoms im aktiven Zentrum, bei welchem es sich um ein Carbid handelt.[6] Dar\u00fcber hinaus erm\u00f6glichte ihr die Anwendung hochaufl\u00f6sender XAS, unterst\u00fctzt durch theoretische Berechnungen, die Bestimmung des Oxidationszustands des Mo-Atoms im FeMoco als Mo(III).[7] Diese Studie wurde durch sp\u00e4tere Untersuchungen mittels R\u00f6ntgendichroismusspektroskopie (X-ray Magnetic Circular Dichroism, \u201eXMCD\u201c) erg\u00e4nzt, bei welchen experimentelle Beweise f\u00fcr eine non-Hund Spinkonfiguration festgestellt wurde.[8] Einen anderen Zugang zu diesem Forschungsfeld liefern Vergleichsstudien unterschiedlicher Nitrogenase-Enzyme mit FeMoco und FeVco in den aktiven Zentren[9], als auch Se-dotiertes FeMoco[10] und die spektroskopische Charakterisierung des ersten intermedi\u00e4ren Zustands im Katalysezyklus der Nitrogenase (E1).[11][12]Methan-Monooxygenase[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Eine weitere, wichtige chemische Umwandlung die in der DeBeer-Gruppe untersucht wird, ist die katalytische Oxidation von Methan zu Methanol. In der Natur l\u00e4uft dieser Prozess mithilfe der Enzymklasse der Methan-Monooxygenasen (MMOs) ab. Das aktive Zentrum dieser Enzyme, welches die Spaltung einer C-H-Bindung in Methan erm\u00f6glicht, ist das dinukleare Fe(IV)-Intermediat Q und kommt in der Hydroxylase-Untereinheit (MMOH) in MMO vor. Spektroskopische Studien der DeBeer-Gruppe haben neue Einsichten in die Struktur dieses dinuklearen Fe-Komplexes gew\u00e4hrt. Durch Anwendung fortschrittlicher r\u00f6ntgenspektroskopischer Untersuchungen, wie beispielsweise hochaufgel\u00f6stes XAS, gelang die Charakterisierung des Haupt-Intermediats in der biologischen Methanoxidation, welches sich als azyklische dinukleare Fe-Struktur (mit einer Fe(IV)=O Einheit) herausstellte.[13] EXAFS-Studien unterst\u00fctzten diese Erkenntnis zus\u00e4tzlich, indem gezeigt wurde, dass es keine Hinweise auf eine kurze Fe-Fe-Bindung, sondern einen vergleichsweise gro\u00dfen Abstand beider Atome zueinander gibt, was mit einer azyklischen Struktur konsistent ist.[14]Spektroskopische Methodenentwicklung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Aktuelle T\u00e4tigkeiten der DeBeer-Gruppe umfassen die Steigerung des Informationsgewinns aus den verschiedenen jeweiligen r\u00f6ntgenspektroskopischen Methoden, die auch zur Erforschung biologischer Katalysatoren eingesetzt werden.Zu diesen Methoden z\u00e4hlen:  Valenzelektronen-R\u00f6ntgenemissionsspektroskopie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Bei dieser Methode, welche auch VtC XES (valence-to-core X-ray emission spectroscopy) genannt wird, wird die R\u00f6ntgenfluoreszenz gemessen, die entsteht wenn ein Valenzelektron die durch Ionisierung verursachte L\u00fccke im 1s Orbital ausf\u00fcllt. Damit erm\u00f6glicht VtC XES Ionisierungsenergien von Ligangen zu bestimmen und gibt au\u00dferdem Auskunft \u00fcber die Beschaffenheit und den Protonierungsgrad des Liganden. Ein prominentes Beispiel f\u00fcr die Anwendung dieser Methode stellt die Identifizierung eines zentralen C-Atoms im FeMo-Cofaktor der Nitrogenase dar (siehe Abschnitt: Nitrogenase).[6]Resonante Valenzelektronen-R\u00f6ntgenemissionsspektroskopie (\u201eRXES\u201c, auch \u201eResonante Inelastische R\u00f6ntgenstreuung\u201c, \u201eRIXS\u201c)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die DeBeer-Gruppe ist aktiv an der Entwicklung und Anwendung von RXES\/RIXS-basierten Methoden im Bereich harter und weicher R\u00f6ntgenstrahlung beteiligt. Dazu z\u00e4hlen die 1s-Valenz-RIXS, um ligandenselektive XAS,[15] und die 2p3d-RIXS, um d-d-\u00dcberg\u00e4nge zu bestimmen.[16][17][18][19][20][21]Zirkularer magnetischer R\u00f6ntgendichroismusspektroskopie (X-ray Magnetic Circular Dichroism, \u201eXMCD\u201c)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Diese Methode findet seit l\u00e4ngerem breite Anwendung zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften von Festk\u00f6rpern. Im Gegensatz dazu waren bisherige Anwendungen auf (bio-)anorganische Systeme oder Proteine qualitativ und quantitativ nur unzureichend interpretiert. Der DeBeer-Gruppe gelang es hingegen, mittels XMCD wesentliche Informationen \u00fcber kovalente Systeme zu gewinnen.[22] Bis heute bleibt sie die einzige Methode, mithilfe derer ein Beweis f\u00fcr die postulierte non-Hund-Konfiguration des zentralen Mo-Atoms der Nitrogenase erbracht werden konnte (siehe Abschnitt: Nitrogenase).[8]Instrumentelle Ausstattung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Dispersives R\u00f6ntgenemissionsspektrometer f\u00fcr das Labor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Gruppe von Serena DeBeer hat in Kollaboration mit  der Gruppe von Prof. Birgit Kanngie\u00dfer (TU Berlin) ein betriebsinternes dispersives R\u00f6ntgenemissionsspektrometer entwickelt. Es basiert auf einer Labor-R\u00f6ntgenquelle (Metal Jet), kombiniert mit HAPG-Kristallen (highly annealed pyrolytic graphite) und einem CCD-Detektor in einer von Hamos Anordnung. Spektren k\u00f6nnen damit in einem Bereich von 2.4-9.0 keV aufgenommen werden. F\u00fcr h\u00f6her konzentrierte Proben stellt dieses Spektrometer eine Alternative zu Synchrotron-basierten Strahllinie dar.[23]PINK Strahllinie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die DeBeer-Gruppe leitet die Entwicklung der PINK Strahllinie[4] am Energy Materials In-situ Laboratory[5] des Helmholtz-Zentrums Berlin f\u00fcr Materialien und Energie. Dr. Sergey Peredkov ist hierbei f\u00fcr Planung und Instrumentierung hauptverantwortlich. Diese Strahllinie kann bei Energien von 2-10 keV betrieben werden, entweder in \u201epinkem\u201c Strahlmodus mit einem mehrschichtigen Spiegel, oder als monochromatischer Strahl (durch Zusatz eines double crystal Monochromators). Zurzeit findet die Inbetriebnahme der Strahllinie statt.\u2191 Serena DeBeer | Chemistry & Chemical Biology Cornell Arts & Sciences. Abgerufen am 20.\u00a0M\u00e4rz 2020.\u00a0\u2191 Honorarprofessorin der RUB ist neue Direktorin. Abgerufen am 20.\u00a0M\u00e4rz 2020.\u00a0\u2191 Anorganische Spektroskopie | MPI CEC. Abgerufen am 20.\u00a0M\u00e4rz 2020.\u00a0\u2191 ab Helmholtz-Zentrum Berlin f\u00fcr Materialien und Energie: PINK. Abgerufen am 20.\u00a0M\u00e4rz 2020 (britisches Englisch).\u00a0\u2191 ab Helmholtz-Zentrum Berlin f\u00fcr Materialien und Energie: Energy Materials In-Situ Laboratory Berlin. Abgerufen am 20.\u00a0M\u00e4rz 2020 (britisches Englisch).\u00a0\u2191 ab Kyle M. Lancaster, Michael Roemelt, Patrick Ettenhuber, Yilin Hu, Markus W. Ribbe: X-ray Emission Spectroscopy Evidences a Central Carbon in the Nitrogenase Iron-Molybdenum Cofactor. In: Science (New York, N.Y.). Band\u00a0334, Nr.\u00a06058, 18.\u00a0November 2011, ISSN\u00a00036-8075, S.\u00a0974\u2013977, doi:10.1126\/science.1206445, PMC\u00a03800678 (freier Volltext).\u00a0\u2191 Ragnar Bjornsson, Frederico A. Lima, Thomas Spatzal, Thomas Weyherm\u00fcller, Pieter Glatzel: Identification of a spin-coupled Mo( iii ) in the nitrogenase iron\u2013molybdenum cofactor. In: Chem. Sci. Band\u00a05, Nr.\u00a08, 2014, ISSN\u00a02041-6520, S.\u00a03096\u20133103, doi:10.1039\/C4SC00337C.\u00a0\u2191 ab Joanna K. Kowalska, Justin T. Henthorn, Casey Van Stappen, Christian Trncik, Oliver Einsle: X\u2010ray Magnetic Circular Dichroism Spectroscopy Applied to Nitrogenase and Related Models: Experimental Evidence for a Spin\u2010Coupled Molybdenum(III) Center. In: Angewandte Chemie International Edition. Band\u00a058, Nr.\u00a028, 8.\u00a0Juli 2019, ISSN\u00a01433-7851, S.\u00a09373\u20139377, doi:10.1002\/anie.201901899, PMID 31119827, PMC\u00a06772009 (freier Volltext).\u00a0\u2191 Julian A. Rees, Ragnar Bjornsson, Joanna K. Kowalska, Frederico A. Lima, Julia Schlesier: Comparative electronic structures of nitrogenase FeMoco and FeVco. In: Dalton Transactions. Band\u00a046, Nr.\u00a08, 2017, ISSN\u00a01477-9226, S.\u00a02445\u20132455, doi:10.1039\/C7DT00128B, PMID 28154874, PMC\u00a05322470 (freier Volltext).\u00a0\u2191 Justin T. Henthorn, Renee J. Arias, Sergey Koroidov, Thomas Kroll, Dimosthenis Sokaras: Localized Electronic Structure of Nitrogenase FeMoco Revealed by Selenium K-Edge High Resolution X-ray Absorption Spectroscopy. In: Journal of the American Chemical Society. Band\u00a0141, Nr.\u00a034, 28.\u00a0August 2019, ISSN\u00a00002-7863, S.\u00a013676\u201313688, doi:10.1021\/jacs.9b06988, PMID 31356071, PMC\u00a06716209 (freier Volltext).\u00a0\u2191 Casey Van Stappen, Albert Thor Thorhallsson, Laure Decamps, Ragnar Bjornsson, Serena DeBeer: Resolving the structure of the E 1 state of Mo nitrogenase through Mo and Fe K-edge EXAFS and QM\/MM calculations. In: Chemical Science. 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Band\u00a0136, Nr.\u00a028, 16.\u00a0Juli 2014, ISSN\u00a00002-7863, S.\u00a010076\u201310084, doi:10.1021\/ja504206y.\u00a0\u2191 Benjamin E. Van Kuiken, Anselm W. Hahn, Brahamjot Nayyar, Christine E. Schiewer, Sonny C. Lee: Electronic Spectra of Iron\u2013Sulfur Complexes Measured by 2p3d RIXS Spectroscopy. In: Inorganic Chemistry. Band\u00a057, Nr.\u00a012, 18.\u00a0Juni 2018, ISSN\u00a00020-1669, S.\u00a07355\u20137361, doi:10.1021\/acs.inorgchem.8b01010.\u00a0\u2191 Anselm W. Hahn, Benjamin E. Van Kuiken, Mustafa al Samarai, Mihail Atanasov, Thomas Weyherm\u00fcller: Measurement of the Ligand Field Spectra of Ferrous and Ferric Iron Chlorides Using 2p3d RIXS. In: Inorganic Chemistry. Band\u00a056, Nr.\u00a014, 17.\u00a0Juli 2017, ISSN\u00a00020-1669, S.\u00a08203\u20138211, doi:10.1021\/acs.inorgchem.7b00940.\u00a0\u2191 Anselm W. Hahn, Benjamin E. Van Kuiken, Vijay Gopal Chilkuri, Natalia Levin, Eckhard Bill: Probing the Valence Electronic Structure of Low-Spin Ferrous and Ferric Complexes Using 2p3d Resonant Inelastic X-ray Scattering (RIXS). In: Inorganic Chemistry. Band\u00a057, Nr.\u00a015, 6.\u00a0August 2018, ISSN\u00a00020-1669, S.\u00a09515\u20139530, doi:10.1021\/acs.inorgchem.8b01550.\u00a0\u2191 Benjamin E. Van Kuiken, Anselm W. Hahn, Dimitrios Maganas, Serena DeBeer: Measuring Spin-Allowed and Spin-Forbidden d\u2013d Excitations in Vanadium Complexes with 2p3d Resonant Inelastic X-ray Scattering. In: Inorganic Chemistry. Band\u00a055, Nr.\u00a021, 7.\u00a0November 2016, ISSN\u00a00020-1669, S.\u00a011497\u201311501, doi:10.1021\/acs.inorgchem.6b02053.\u00a0\u2191 Dimitrios Maganas, Serena DeBeer, Frank Neese: A Restricted Open Configuration Interaction with Singles Method To Calculate Valence-to-Core Resonant X-ray Emission Spectra: A Case Study. In: Inorganic Chemistry. 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