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Molekulare Vollbremsung der Erbsubstanz

14.05.2013
Ein Team aus Physikern der Universität Cambridge und Universität Leipzig hat in aufwändiger Forschungsarbeit neue, überraschende Erkenntnisse über die Erbsubstanz gewonnen: Ihnen ist es erstmals gelungen, das spontane Zusammenziehen einzelner aufgespannter DNS-Moleküle nach dem plötzlichen Loslassen mit hoher Zeitauflösung zu verfolgen und quantitativ zu beschreiben. Die Arbeit ist gerade in der Fachzeitschrift "Nature Communications" erschienen (doi:10.1038/ncomms2790).

Das DNS-Molekül, das allen lebenden Organismen zur Speicherung ihrer Erbinformation dient, gleicht einem unvorstellbar dünnen, aber buchstäblich ellenlangen Faden. Es ist etwa zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar, kann aber trotzdem vergleichbar lang werden.

Unsere Erbsubstanz liegt normalerweise nicht in derart gestreckter Form vor, sondern wird von speziellen Verpackungsproteinen so kompakt wie möglich in die nur wenige tausendstel Millimeter großen Zellkerne gepresst. Doch was in der Zelle schon allein aus Platzgründen nicht möglich ist, gelingt im Laborexperiment: Einzelne DNS-Moleküle können mithilfe von Nanotechniken entwirrt und langgestreckt werden.

Die Details der komplizierten Bewegung des dünnen DNS-Fadens lassen sich dann allerdings nicht direkt mikroskopisch verfolgen, sondern müssen indirekt aus einer Kraftmessung ermittelt werden. "Dazu wird die DNS zunächst mithilfe einer Nanopore und einer optischen Pinzette in die Länge gezogen und dann an einem Ende losgelassen. Aus dem gemessenen Zeitverlauf der Zugkraft, die das andere Ende auf die optische Pinzette ausübt, lässt sich dann das 'Zurückschnurren' der DNS mit mathematischen Vorhersagen quantitativ rekonstruieren", beschreibt Prof. Dr. Klaus-Dieter Kroy vom Institut für Theoretische Physik der Universität Leipzig den komplizierten Vorgang.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft der DNS-Bewegung, die auf diese Weise nun erstmals in den Cavendish Laboratorien in Cambridge im Detail verfolgt werden konnte, sei ihr enormer Beitrag zur Flüssigkeitsreibung des Moleküls. Das mit der Laserfalle gezogene Ende eines einen hundertstel Millimeter langen DNS-Fadens bewegte sich während des Zusammenziehens fast 20-mal langsamer als das nicht gestreckte Molekül und immerhin noch etwa dreimal langsamer als es für ein gleichlanges steifes Stäbchen der Fall wäre.

Durch den Einsatz längerer DNS-Abschnitte ließe sich diese ungewöhnliche Bremswirkung in der Zukunft sogar noch erheblich steigern. Das Zusammenziehen der DNS wird nicht durch elastische Kräfte wie etwa beim Reißen einer gespannten Gitarrensaite getrieben, sondern von den rein zufälligen Stößen mit den umgebenden Wassermolekülen. "Wie aus dem unkoordinierten Zusammenwirken thermischer Zufallsbewegungen am Ende eine reproduzierbare Bewegung des ganzen Moleküls resultieren kann, ist eine der spannenden Fragen, die sich in dem Experiment genau untersuchen lassen", erläutert Kroy, dessen Team die theoretische Arbeit übernommen und die Experimente der Physiker in Cambridge ausgewertet hat.

Nach dem Vorbild der in den vergangenen Jahren sehr erfolgreich angewandten Technik der Einzelmolekülkraftspektroskopie hofft das Forscherteam, mit seinem neuartigen zeitaufgelösten Verfahren bald noch eine Reihe weiterer interessanter Einblicke in die molekulare Dynamik der DNS und ihrer Wechselwirkungen mit Proteinen zu erzielen. Je mehr über die Dynamik der DNS und ihrer Reaktionen bekannt ist, desto besser lässt sich die Steuerung biologischer Prozesse durch die Erbsubstanz verstehen und desto gezielter lassen sich beispielsweise Medikamente entwickeln.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Klaus-Dieter Kroy
Institut für Theoretische Physik der Universität Leipzig
Telefon: +49 341 97-32436
E-Mail: klaus.kroy@uni-leipzig.de

Susann Huster | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-leipzig.de
http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2790.html

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