Lichtschutzfaktor im Erbgut

Science: Eine besondere Struktur macht die DNA unempfindlich gegen UV-Strahlen

Die menschliche Erbsubstanz DNA ist äußerst robust, selbst wenn sie – etwa beim Sonnenbad – dem Beschuss mit schädlichen ultravioletten Strahlen ausgesetzt ist. Diese Stabilität schützt den Organismus. Denn jede Veränderung könnte Krankheiten wie Krebs oder gefährliche Mutationen im Erbgut hervorrufen. Forscher des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie haben jetzt zusammen mit Kollegen aus Polen einen der Schutzmechanismen unserer Erbsubstanz aufgeklärt. Sie berichten darüber in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science (Bd. 306, 3. Dezember 2004, S.1765).

Der UV-Anteil des Sonnenlichts ist nichts anderes als energiereiche Strahlung. Trifft sie auf Moleküle, so kann sie die Bindungen zwischen den Atomen zerstören. Um das zu verhindern, muss die Energie, die die Moleküle bei der Lichteinstrahlung aufnehmen, möglichst rasch an die Umgebung abgegeben werden. Offenbar sind die DNA-Bausteine dafür besonders gut ausgerüstet. Der Doppelstrang der Erbsubstanz hat die Form einer in sich gewundenen Strickleiter. Die Sprossen entsprechen jeweils einem miteinander verbundenen Paar von Basen.

Die Eigenschaften einer solchen Sprosse haben MBI-Wissenschaftler um Dr. Thomas Schultz zusammen mit Kollegen aus München und Warschau in einem Modellsystem beobachtet. Zwei zusammengefügte Moleküle Aminopyridin verhalten sich unter Lichtbeschuss, wie man es von den DNA-Basenpaaren Adenin-Thymin oder Guanin-Cytosin erwarten kann. Mithilfe von ultrakurzen Laserpulsen deponierten die Forscher Energie in dem Molekül und beobachteten die darauffolgende Molekülbewegung. Die zeitliche Auflösung des so genannten Pump-Probe-Experimentes lag bei rund 120 Femtosekunden. Das sind 0,00000000000012 Sekunden (hundertzwanzig Milliardstel Millionstelsekunden). Thomas Schultz erläutert den Versuchsablauf: „Der erste Puls (Pump) stößt eine Bewegung der Molekülkerne und Elektronen an, der zweite Puls (Probe) zerbricht das Molekül und gibt uns einen ,Schnappschuss’ der Bewegung.“

Mit diesen „Schnappschüssen“ stellten die Wissenschaftler fest, dass ihr Modellbasenpaar die aufgenommene Energie innerhalb von 65 Pikosekunden an die Umgebung abgeben kann. Eine Pikosekunde sind 1000 Femtosekunden oder eine Millionstel Millionstelsekunde. Eine wichtige Rolle beim Energieaustausch spielt die Struktur des Moleküls. Waren die Basen wie in den Sprossen der DNA-Strickleiter angeordnet, wurde die Energie extrem rasch verteilt. In anderen Strukturen dagegen dauerte es mehr als zwanzigmal so lang, bis die Strahlungsenergie an die Umgebung abgegeben war. „Die Bewegung eines einzelnen Wasseratoms wandelt die aufgenommene Energie um“, berichtet Schultz. Es habe sich also gezeigt, dass Molekülbewegung ebenso wie die Molekülstruktur eine wichtige Funktion in der Biologie hat. „Mit ultraschnellen Laserpulsen machen wir beides sichtbar.“

Quelle: Thomas Schultz, Elena Samoylova, Wolfgang Radloff, Ingolf V. Hertel, Andrzej L. Sobolewski, Wolfgang Domcke: Efficient Deactivation of a Model Base Pair via Excited-State Hydrogen Transfer (Science, Bd. 306, S. 1765 – 1768, 3. Dezember 2004)

Kontakt:

Dr. Thomas Schultz, Max-Born-Institut Berlin, 030 / 6392 1240
schultz@mbi-berlin.de