Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gene flirten auf Distanz

07.04.2009
Geschlossene DNA-Sequenzen erkennen laut einem mathematischen Modell ähnliche Abschnitte in anderen DNA-Doppelsträngen

Gene können nach Ansicht eines Gastwissenschaftlers am Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften schon von Weitem erkennen, ob ein anderes Gen dem eigenen Aufbau entspricht. "Gene verhalten sich wie Gäste auf einer Party", sagt Alexei Kornyshev, Professor für chemische Physik. "Lernen sich dort zwei Menschen kennen, prüfen sie auch erst aus der Distanz, ob sie füreinander interessant sind."


Homologe Sequenzen erkennen sich schon aus gewisser Distanz und ziehen sich an. Bild: Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften

In Leipzig hat Kornyshev nun berechnet, wie weit homologe Abschnitte der DNA, also solche mit sehr ähnlichem Aufbau, voneinander entfernt sein dürfen, um Ähnlichkeiten festzustellen. Homologe Gene tauschen sich etwa aus, wenn Kinder gezeugt werden und sich dabei die Erbinformation der Eltern mischt. "Wüssten wir, wie Gene den richtigen Austauschpartner finden, könnten wir falsche Kombinationen bei künstlicher Befruchtung verhindern", erklärt Kornyshev. (PNAS 2009, Online-Vorabpublikation 9. März 2009, doi:10.1073/pnas.0811208106)

Trotz der Fülle an menschlichen Genen finden sich im Genom ähnliche Exemplare mit hoher Präzision. Das ist wichtig, denn bei der Vererbung ebenso wie bei der Reparatur defekter Gene dürfen nur Teile ausgetauscht werden, die Informationen für dasselbe Merkmal tragen, die also zu zwei Varianten desselben Gens gehören. Auf die Frage, wie die Gene einander erkennen, wissen die Forscher bislang keine Antwort.

Zwei große Theorien gebe es, erläutert Alexei Kornyshev, der am Max-Planck-Institut für Mathematik berechnet hat, wie aneinander vorbei gleitende Doppelstränge der DNA wechselwirken. Die eine Theorie geht davon aus, dass ähnliche Sequenzen sich nur finden, wenn der Doppelstrang sich wie ein Reißverschluss geöffnet hat. Kornyshev gehört dagegen zu den Forschern, die meinen, dass homologe Gene, also solche mit vergleichbarer Zusammensetzung, sich schon aus der Ferne identifizieren und ein Auftrennen der Doppelstränge nicht nötig sei.

Möglich ist das - so sein Modell - weil sich zwischen den negativ geladenen Doppelsträngen der DNA, die sich wie eine Wendeltreppe winden, positiv geladene Teilchen festsetzen, etwa Natrium-, Kalium- oder Magnesiumionen. Die unterschiedlich geladenen Bereiche übten anziehende Kräfte aufeinander aus, wenn zwei Doppelstränge aneinander vorbei glitten, schildert der Wissenschaftler.

Nun hat Kornyshevs Team untersucht, wie weit zwei Doppelstränge gegeneinander verschoben werden dürfen, damit sich die ähnlichen Sequenzen noch erkennen. Dazu betrachteten die Forscher, wie durch ein Fenster einen Abschnitt eines Gens und berechneten, wie sich die Energie ändert, wenn ein zweiter DNA-Doppelstrang vorbei gleitet. Dabei stellten sie fest: Ein Gen merkt, dass sich ein ähnliches nähert, bevor die beiden exakt gegenüber stehen. Es "spürt", dass sich eine energetisch günstigere Position bietet.

Solange die homologen Teile um mehr als die Hälfte der Fensterbreite zueinander versetzt sind, entspricht die Wechselwirkung noch der zwischen verschiedenen Genen. Nähern sich die homologen Doppelstränge weiter an, sinkt die Energie. Sie ist am kleinsten, wenn die beiden Doppelstränge einander exakt gegenüber liegen. Die Kurve, die den Energievorteil beschreibt, sieht aus wie die Kontur eines umgedrehten Sombreros. Sie zeigt: Homologe Sequenzen erkennen sich schon aus gewisser Distanz.

Bereits 2001 hatte ein Team um Kornyshev ein Modell aufgestellt, das beschreibt, wie zwei Doppelstränge aufgrund ihrer negativen Phosphate und der zwischen den Strängen angedockten positiven Ionen miteinander in Wechselwirkung treten. Um zu einer mathematischen Formel zu gelangen, modellierten die Wissenschaftler einen Doppelstrang als zwei zueinander parallele Seile, die sich um eine Litfasssäule winden. Die elektrischen Ladungen bildeten sie ab, indem sie die Seile als negativ, die Zwischenräume als positiv geladen ansahen.

Stehen zwei identisch umwickelte Litfasssäulen nebeneinander, dann liegt das geladene Seil der einen Litfasssäule immer exakt den Zwischenräumen der anderen Litfasssäule gegenüber. Das ist energetisch günstig, weil sich unterschiedliche Ladungen anziehen. Diese Position können nur homologe Doppelstränge einnehmen, denn in der DNA windet sich jede Kombination benachbarter Bausteine in einem bevorzugten Winkel. Übertragen auf die Litfasssäule sind die Seile also nicht gleichmäßig aufgewickelt, sondern an manchen Stellen steiler. Stellt man nun zwei Litfasssäulen nebeneinander, die verschiedene DNA-Sequenzen darstellen, liegen nicht immer positive und negative Ladungen gegenüber. Da gleiche Ladungen sich abstoßen, ist diese Situation energetisch von Nachteil. Mit seinen neuen Rechnungen hat Kornyshev nun gezeigt, wie weit der Energievorteil spürbar ist, wenn zwei homologe DNA-Stränge aneinander vorbei gleiten.

"Es ist klar, dass sich Modell und Realität unterscheiden", sagt Kornyshev, "die DNA ist durchaus komplexer als von uns dargestellt". Dennoch hätten erste Versuche im Reagenzglas gezeigt, dass geschlossene homologe DNA-Sequenzen aus mehreren hundert Bausteinen ohne Hilfe von Proteinen zueinander finden. Es sei daher durchaus möglich, dass sich homologe Gene anhand ihrer Struktur erkennen, bevor der komplexe Prozess starte, in dem sich die Stränge auftrennen und austauschen, erläutert der Wissenschaftler.

Originalveröffentlichung:

Alexei A. Kornyshev und Aaron Wynveen
The homology recognition as well as innate property of DNA structure
PNAS 2009, Online-Vorabpublikation 9. März 2009, doi:10.1073/pnas.0811208106

Dr. Felicitas von Aretin | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kieselalge in der Antarktis liest je nach Umweltbedingungen verschiedene Varianten seiner Gene ab
17.01.2017 | Stiftung Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere

nachricht Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Intelligente Haustechnik hört auf „LISTEN“

17.01.2017 | Architektur Bauwesen

Satellitengestützte Lasermesstechnik gegen den Klimawandel

17.01.2017 | Maschinenbau