Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultrastark, ultraschnell und lokal: Wasser induziert elektrische Felder an der DNA-Oberfläche

04.08.2016

Struktur und Dynamik der DNA-Doppelhelix werden entscheidend durch die umgebende Wasserhülle beeinflusst. Neue Ultrakurzzeit-Experimente zeigen, dass die beiden ersten Wasserschichten extrem starke elektrische Felder von bis zu 100 Megavolt/cm erzeugen, die auf der Femtosekunden-Zeitskala fluktuieren und auf eine Reichweite von etwa 1 nm begrenzt sind.

Als Träger der Erbinformation weisen DNA-Moleküle in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung eine Doppelhelixstruktur auf, die aus zwei gegenläufigen gewundenen Strängen von Nukleotiden aufgebaut ist (Abb. 1A). Eine alternierende Anordnung negativ geladener Phosphatgruppen und polarer Zuckereinheiten bildet das Rückgrat der Doppelhelix welches direkt mit den umgebenden Wassermolekülen wechselwirkt.


Oberfläche einer DNA-Doppelhelix. Der Verlauf der Helixstränge ist an den Sauerstoffatomen der Phosphatgruppen (rot) zu erkennen.

Bild: MBI

Die insgesamt negative Ladung der Doppelhelix wird durch positiv geladene Gegenionen, z.B. Natriumionen kompensiert, die sich in wässriger Umgebung dicht an der Helixoberfläche befinden. Die Wechselwirkung von elektrischen Dipolmomenten der Wassermoleküle mit den Ladungen der Gegenionen und Phosphatgruppen sowie mit den polaren Einheiten erzeugt elektrische Felder an der DNA-Oberfläche, deren Eigenschaften trotz intensiver Forschung bis heute kontrovers diskutiert werden. Dies liegt wesentlich an der strukturellen Komplexität dieses Vielteilchensystems und seinen thermischen Fluktuationen auf kurzen Zeitskalen.

Wissenschaftlern des Max-Born-Instituts in Berlin ist es jetzt erstmals gelungen, Stärke, Reichweite und ultraschnelle Dynamik der an einer nativen DNA-Oberfläche auftretenden elektrischen Felder quantitativ zu bestimmen. Wie sie in der Zeitschrift Journal of Physical Chemistry Letters berichten, dienen Schwingungen im Rückgrat der Doppelhelixstruktur von natürlicher Salmon DNA als Sonden, um die elektrischen Wechselwirkungen räumlich und zeitlich abzubilden.

Die elektrischen Felder an der DNA-Oberfläche beeinflussen hierbei direkt die Form und Dynamik der Schwingungsresonanzen, welche mit einem speziellen Verfahren, der sog. zweidimensionalen Infrarotspektroskopie, in Echtzeit auf einer Zeitskala im Femtosekundenbereich (1 fs = 10⁻¹⁵s) aufgezeichnet werden (Abb. 1B). Um unterschiedliche Beiträge zu den fluktuierenden elektrischen Feldern an der DNA-Oberfläche zu unterscheiden, wurde der Wassergehalt der DNA-Proben systematisch variiert.

Die Experimente und umfangreiche theoretische Analysen zeigen, dass Wassermoleküle in den ersten beiden Schichten, die die DNA umgeben, ein extrem starkes elektrisches Feld erzeugen, während ionische Gruppen und weiter außen liegende Wassermoleküle nur eine untergeordnete Rolle spielen. Die räumliche Reichweite des Feldes beträgt nur etwa 1 nm, bei einer Stärke von bis zu 100 MV/cm (100 Millionen Volt pro Zentimeter) wie in Abb. 1C dargestellt.

Thermische Bewegungen der Wassermoleküle führen zu Feldfluktuationen von 25 MV/cm auf einer Zeitskala von 300 fs. Die Zeitskala der Fluktuationen zeigt, dass die Bewegung der Wassermoleküle durch die Kopplung an die strukturierte DNA-Oberfläche behindert und im Vergleich zu reinem Wasser verlangsamt wird. Diese neuen, erstmals quantitativen Befunde sind wichtig für das Verständnis der maßgeblichen Rolle von Wasser und seiner Dynamik an biologischen Grenzflächen, etwa geladenen Zellmembranen und Oberflächen von Proteinen.

Abb. 1: (A) Oberfläche einer DNA-Doppelhelix. Der Verlauf der Helixstränge ist an den Sauerstoffatomen der Phosphatgruppen (rot) zu erkennen. In blau sind Gegenionen gezeigt, die kleinen gewinkelten Strukturen sind Wassermoleküle. (B) Zweidimensionales Infrarotspektrum der Schwingungen des DNA-Rückgrats.

Als Funktion der Anrege- und der Detektionsfrequenz sind nichtlineare Schwingungssignale gezeigt. Die Linienform der Resonanzen auf der Diagonalen (gleiche Anrege- und Detektionsfrequenz) wird direkt durch fluktuierende elektrische Felder beeinflusst, die Signale außerhalb der Diagonale werden durch Kopplungen zwischen den Schwingungen verursacht.

(C) Verlauf des zeitlich gemittelten elektrischen Feldes (blau) als Funktion des Abstandes von der DNA-Oberfläche. Wassermoleküle in der ersten Schicht (um 0.4 nm) erzeugen ca. 70% des Gesamtfeldes, die zweite Wasserschicht trägt ca. 20% bei.

Originalpublikation: The Journal of Physical Chemistry Letters, 7, 3131-3136 (2016); Range Magnitude and Ultrafast Dynamics of Electric Fields at the Hydrated DNA Surfaces; T. Siebert, B. Guchhait, Y. Liu, B. P. Fingerhut, T. Elsaesser

Kontakt:
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
Max-Born-Str. 2A
12489 Berlin

Dr. Torsten Siebert
Tel. 030 6392 1414
siebert@mbi-berlin.de

Dr. Benjamin Fingerhut
Tel. 030 6392 1404

Prof. Dr. Thomas Elsässer
Tel. 030 6392 1400
elsaesser@mbi-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.mbi-berlin.de

Karl-Heinz Karisch | Forschungsverbund Berlin e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Biomarker besser nachweisen: Bremer Forscher entwickeln neue Methode mit Mikrokapseln
14.08.2018 | Jacobs University Bremen gGmbH

nachricht Grönland: Tiefe des Schmelzwassereintrags beeinflusst Planktonblüte
14.08.2018 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

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: Neue interaktive Software: Maschinelles Lernen macht Autodesigns aerodynamischer

Neue Software verwendet erstmals maschinelles Lernen um Strömungsfelder um interaktiv designbare 3D-Objekte zu berechnen. Methode wird auf der renommierten SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt

Wollen Ingenieure oder Designer die aerodynamischen Eigenschaften eines neu gestalteten Autos, eines Flugzeugs oder anderer Objekte testen, lassen sie den...

Im Focus: New interactive machine learning tool makes car designs more aerodynamic

Scientists develop first tool to use machine learning methods to compute flow around interactively designable 3D objects. Tool will be presented at this year’s prestigious SIGGRAPH conference.

When engineers or designers want to test the aerodynamic properties of the newly designed shape of a car, airplane, or other object, they would normally model...

Im Focus: Der Roboter als „Tankwart“: TU Graz entwickelt robotergesteuertes Schnellladesystem für E-Fahrzeuge

Eine Weltneuheit präsentieren Forschende der TU Graz gemeinsam mit Industriepartnern: Den Prototypen eines robotergesteuerten CCS-Schnellladesystems für Elektrofahrzeuge, das erstmals auch das serielle Laden von Fahrzeugen in unterschiedlichen Parkpositionen ermöglicht.

Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden weltweit hohe Wachstumsraten prognostiziert: 2025, so die Prognosen, wird es jährlich bereits 25 Millionen...

Im Focus: Robots as 'pump attendants': TU Graz develops robot-controlled rapid charging system for e-vehicles

Researchers from TU Graz and their industry partners have unveiled a world first: the prototype of a robot-controlled, high-speed combined charging system (CCS) for electric vehicles that enables series charging of cars in various parking positions.

Global demand for electric vehicles is forecast to rise sharply: by 2025, the number of new vehicle registrations is expected to reach 25 million per year....

Im Focus: Der „TRiC” bei der Aktinfaltung

Damit Proteine ihre Aufgaben in Zellen wahrnehmen können, müssen sie richtig gefaltet sein. Molekulare Assistenten, sogenannte Chaperone, unterstützen Proteine dabei, sich in ihre funktionsfähige, dreidimensionale Struktur zu falten. Während die meisten Proteine sich bis zu einem bestimmten Grad ohne Hilfe falten können, haben Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie nun gezeigt, dass Aktin komplett von den Chaperonen abhängig ist. Aktin ist das am häufigsten vorkommende Protein in höher entwickelten Zellen. Das Chaperon TRiC wendet einen bislang noch nicht beschriebenen Mechanismus für die Proteinfaltung an. Die Studie wurde im Fachfachjournal Cell publiziert.

Bei Aktin handelt es sich um das am häufigsten vorkommende Protein in höher entwickelten Zellen, das bei Prozessen wie Zellstabilisation, Zellteilung und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Das Architekturmodell in Zeiten der Digitalen Transformation

14.08.2018 | Veranstaltungen

EEA-ESEM Konferenz findet an der Uni Köln statt

13.08.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung in der chemischen Industrie

09.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kleine Helfer bei der Zellreinigung

14.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Oberflächeneigenschaften für holzbasierte Werkstoffe

14.08.2018 | Materialwissenschaften

Fraunhofer IPT unterstützt Zweitplatzierten bei SpaceX-Wettbewerb

14.08.2018 | Förderungen Preise

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics