Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schnell und stabil: Neues Kopiersystem für DNA

16.02.2017

Für die Evolution von Zellen und Organismen ist entscheidend, dass informationstragende Moleküle wie DNA-Sequenzen kopiert werden, bevor sie degradieren. Dabei hat das Zusammenspiel von DNA-Replikatoren eine wichtige Rolle.

In allen lebenden Organismen gibt es auf molekularer Ebene eine Arbeitsteilung: Nukleinsäuren (DNA und RNA) speichern die Information zum Aufbau von Proteinen, die wiederum verschiedene Funktionen wie etwa das Katalysieren chemischer Reaktionen übernehmen.


Grafik: rost9 / fotolia.com

Quelle: LMU

In den letzten Jahren hat sich allerdings herausgestellt, dass insbesondere RNA diese Arbeitsteilung zu „ignorieren“ scheint und in vielen Prozessen entscheidende Funktionen übernimmt.

Diese Vielseitigkeit der Moleküle könnte auch erklären helfen, wie das Leben seinen Anfang nahm. So können Nukleinsäuren beispielsweise das Kopieren anderer Nukleinsäuren katalysieren. Hierbei ist wichtig, dass nur Moleküle kopiert werden, deren Informationen weitergegeben werden sollen.

Sogenannte Primer helfen in biologischen Prozessen oft, diese „Spezies“ zu erkennen. Das sind kurze Nukleinsäuren mit einer bestimmten Sequenz, die mit einem Teil des Moleküls, das kopiert wird, eine Doppelhelix bilden. Sie sind der Startpunkt für die Replikation und verlängern sich im weiteren Prozess zur komplementären DNA-Strang.

Vor- und Nachteile der Haarnadel-Struktur

Ausgehend von solch einem System haben sich Georg Urtel und Thomas Rind aus der Arbeitsgruppe von Professor. Dieter Braun (Biophysik, LMU München) gefragt, welche Eigenschaften diese DNA-Moleküle haben. In Experimenten replizierten die Wissenschaftler dazu zunächst DNA mit einer sogenannten „Hairpin-Struktur“.

Bei diesen Molekülen sind einige Basen am Anfang und am Ende komplementär und bilden kurze Paarfolgen, so dass die Enden des Moleküls aneinander binden. Die Form erinnert dem Namen entsprechend an eine Haarnadel.

Beim Kopieren eines DNA-Moleküls entsteht das in der Basenfolge dazu komplementäre Molekül, das exakte Gegenstück sozusagen, da nur immer zwei der vier verschiedenen Basen zusammenpassen. Um beide Moleküle replizieren zu können, benötigt man daher normalerweise zwei verschiedene Primer.

Der Vorteil von Hairpin-Molekülen ist, dass das Ursprungsmolekül und das entsprechende Komplement den gleichen Primer benötigen. „Das macht Hairpins zu relativ simplen Replikatoren“, erklärt Georg Urtel. „Allerdings erschwert die Hairpin-Struktur das Anbinden der Primer an das DNA-Molekül und bremst die Replikationsrate. Dieses Problem haben Spezies ohne Hairpin-Struktur nicht“.

Aus zwei mach eins

In ihren Experimenten entdeckten die Wissenschaftler, dass durch Kooperation von zwei simplen Hairpin-Spezies ein deutlich schnellerer Replikator entsteht, der zwei Primer benötigen. Die ausgewählten Hairpin-Spezies benötigten unterschiedliche Primer, besaßen aber ansonsten teilweise identische Sequenzen. Im ersten Schritt des Übergangs muss die Replikation eines Hairpin-Moleküls unterbrochen werden. „In der Regel sind Replikationsprozesse in der Natur nie perfekt“, so Dieter Braun.

„Dieses Verhalten muss man nicht erzwingen, sondern es passiert stochastisch und wir nutzen das für unsere Experimente“. Ein unfertig repliziertes Hairpin-Molekül kann nun an ein Molekül der zweiten Spezies binden und dabei wie ein Primer verlängert werden. Das so entstandene Molekül hat keine Hairpin-Struktur mehr, sondern stellt eine neue Spezies dar. Solche Crossbreeds benötigen nun zwei Primer, replizieren allerdings viel schneller.

Vor dem Aussterben gerettet

In den Experimenten zeigte sich, dass DNA-Moleküle mit Hairpin-Struktur im Vergleich zu Crossbreeds bei Verdünnung rasch aussterben. Durch die Bildung von Crossbreeds und die damit verbundene schnellere Replikation kann Hairpin-DNA ihre Informationen in diesen sicher abspeichern und weiter kopieren.

Dass die Information tatsächlich erhalten bleibt, konnte durch die Umkehrreaktion gezeigt werden: Haben Crossbreeds nur einen Primer zur Verfügung, entsteht die entsprechende Hairpin-Spezies durch einen ähnlichen Übergangs-Prozess wie oben beschrieben. Weil ein Primer fehlt, stirbt nun der Crossbreed aus.

„Der Crossbreeding-Prozess erlaubt also nicht nur den Übergang von simplen, langsamen Replikatoren zu schnelleren Replikatoren, sondern ermöglicht es zudem, sich an die Umweltbedingungen anzupassen“, beschreibt Georg Urtel die Vorteile. „Solch ein Prozess zeigt uns daher auch, wie zu Beginn des Lebens bereits frühe Replikatoren kooperiert haben könnten.“
Physical Review Letters 2017

Publikation:
Reversible switching of cooperating replicators.
Georg C. Urtel, Thomas Rind and Dieter Braun.
Physical Review Letters 2017
DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.078102

Kontakt:
Prof. Dr. Dieter Braun
LMU, Systems Biophysics
Telefon: +49 (0) 89 / 2180-2317
E-Mail: dieter.braun@lmu.de

Luise Dirscherl | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: DNA-Moleküle LMU Ludwig-Maximilians-Universität Molekül Nukleinsäuren RNA dna

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie Reize auf dem Weg ins Bewusstsein versickern
22.09.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Lebendiges Gewebe aus dem Drucker
22.09.2017 | Universitätsklinikum Freiburg

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: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie