Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Innsbrucker Physiker bestätigen Modell zum Bruch von Doppelsträngen der Erbsubstanz

07.07.2015

Doppelstrangbrüche der DNA bewirken schwere Schäden in der Erbinformation: Sie können dazu führen, dass Tumorgewebe entsteht. Forscher der Universität Innsbruck bestätigten nun in Experimenten erstmals ein Modell, das erklärt, wie es zu solchen Veränderungen kommt. Die Physiker berichten darüber in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition.

Eine erhöhte Strahlenbelastung kann bei einem Menschen einen Krebstumor wahrscheinlicher machen – andererseits wird gezielte Bestrahlung in der Medizin auch zur Behandlung von Tumoren verwendet. Dabei werden Körperzellen nicht direkt durch die energetische Strahlung geschädigt, sondern durch dabei freigesetzte Radikale, also Atome oder Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron.


Das Zusammenspiel von OH-Radikal und Elektron verursacht einen signifikanten Schaden an der DNA.

Grafik: Michael Neustetter

Ein solches Radikal ist zum Beispiel das Hydroxyl (OH•), das aus je einem Atom Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) besteht. Wie für Radikale typisch, ist das Hydroxyl besonders reaktionsfreudig und kann chemische Veränderungen im Zellmaterial auslösen. Doppelstrangbrüche der DNA zählen dabei zu den problematischsten Schäden, da sie Geninformationen bei mangelnder Reparatur nachhaltig ändern.

Wasser in der Zelle entscheidend

Erst im Jahr 2000 wurde gezeigt, dass auch niederenergetische Elektronen, die in großer Menge auch durch energetische Strahlung in Zellen freigesetzt werden, über Anlagerung an den Molekülen der DNA eine oder beide ihrer Stränge brechen können. Seitdem suchen Forscher nach den möglichen molekularen Vorgängen, die das verursachen.

Bei Einzelstrangbrüchen ist der Ablauf mittlerweile mehr oder weniger geklärt. So ist es möglich, dass ein Elektron sich im Bereich des DNA-Rückgrats anlagert und dabei die chemische Bindung eines einzelnen Strangs so sehr schwächt, bis er bricht. Wie aber Elektronenanlagerung auch einen Doppelstrang brechen könnte, ist bislang ungeklärt.

Es wird vermutet, dass dabei das Wasser entscheidend ist, das sich in der Zelle befindet: Ein Elektron lagert sich an den Wasser-DNA-Komplex an und regt den Komplex elektronisch an, bevor es wieder freigesetzt wird. Der neutrale Komplex ist durch die Anregung instabil und zerfällt. Dabei wird ein OH-Radikal ausgesendet. Das nun freigewordene Elektron und das OH-Radikal können damit einen Doppelstrangbruch verursachen.

Die Arbeitsgruppe um Stephan Denifl am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik erzeugte nun im Labor sehr kleine Anhäufungen (sogenannte Cluster) von bis zu 25 Stück einer für die DNA typischen Sorte Biomoleküle und untersuchte, wie sich Elektronen daran anlagern. Damit lassen sich einzelne Reaktionsschritte gezielter aufzeigen, als es bei Experimenten mit Riesenmolekülen wie der DNA möglich wäre. Über ihre Beobachtungen berichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition.

„Dabei wählten wir das Pyrimidin-Molekül, da es einen Grundbestandteil der DNA darstellt. Wir konnten aus wenigen einzelnen Molekülen kleine Cluster erzeugen und haben diese mit niederenergetischen Elektronen beschossen“, erklärt Michael Neustetter, der Erstautor dieser Studie. Dabei zeigte sich bei reinen Pyrimidin-Clustern, dass die im Cluster gebildeten Ionen trotz des zusätzlichen Elektrons stabil sind und deshalb auch mittels Massenspektrometrie messbar sind, da sich die zugeführte Energie im Pyrimidin-Cluster verteilt.

Dies wurde selbst dann beobachtet, wenn das eingefangene Elektron genügend Energie hatte, um den Komplex auch elektronisch anzuregen. Letzteres Ergebnis ändert sich aber drastisch, wenn Pyrimidin im Cluster von Wassermolekülen umgeben ist: Es werden nun keine negativen Ionen mehr beobachtet, was bedeutet, dass das Elektron sich nur kurzeitig anlagert und den angeregten Komplex wieder verlässt.

„Diese Resultate entsprechen genau den ersten bisher experimentell fehlenden Reaktionsschritten im vermuteten Modell von elektronen-induzierten DNA-Doppelstrangbrüchen“, erklärt Stephan Denifl. Die theoretisch vermutete Reaktion auf dem Weg zur DNA-Schädigung konnte damit nun auch experimentell gezeigt werden.

Die Erforschung von elektronen-induzierten Reaktionen in Biomolekülen ist ein zentrales Forschungsthema der Arbeitsgruppe um Stephan Denifl am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik. Die Arbeiten werden unter anderem durch den österreichischen Wissenschaftsfond FWF und die deutsche Forschungsgemeinschaft DFG gefördert.

Rückfragehinweis:

assoz. Prof. Dr. Stephan Denifl
Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507-52662
E-Mail: stephan.denifl@uibk.ac.at

Mag. Stefan Hohenwarter
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507-32023
Mobil: +43 676 8725 32023
E-Mail: stefan.hohenwarter@uibk.ac.at

Weitere Informationen:

http://www.dx.doi.org/10.1002/anie.201503733 The effect of solvation in electron attachment to pure and hydrated pyrimidine clusters. Michael Neustetter, Julia Aysina, Filipe Ferreira da Silva and Stephan Denifl, Angewandte Chemie International Edition, Juni 2015. DOI: 10.1002/anie.201503733

Mag. Stefan Hohenwarter | Universität Innsbruck
Weitere Informationen:
http://www.uibk.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie