Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wassermoleküle prägen die Struktur der Erbsubstanz DNA

18.04.2011
Die Erbsubstanz DNA ist von Wassermolekülen auf eine ganz besondere Art umgeben.

Die Beschaffenheit dieser Hydrathülle hängt einerseits vom Wassergehalt ab, wie Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf herausgefunden haben, und beeinflusst andererseits die Struktur der Erbsubstanz selbst.


Schematische Darstellung eines DNA-Strangs mit angelagerten (roten) Wassermolekülen
HZDR unter Nutzung des Bildes 1HQ7.pdb aus der „Protein Data Bank"

Diese Erkenntnisse sind nicht nur wichtig für das Verständnis der biologischen Funktion der DNA, sondern könnten auch für die Konstruktion von neuen DNA-basierten Materialien genutzt werden.

Die Doppelhelix der DNA liegt niemals isoliert vor, sondern ihre gesamte Oberfläche ist stets von Wassermolekülen bedeckt, die sich über Wasserstoffbrückenbindungen anheften. Doch die DNA hält nicht alle Moleküle gleich fest. „Wir haben nachgewiesen, dass ein Teil des Wassers stärker gebunden ist, andere Moleküle hingegen schwächer“, so Dr. Karim Fahmy, Leiter der Abteilung Biophysik am Institut für Radiochemie.

Dies gilt jedoch nur, solange der Wassergehalt niedrig ist. Wächst die Wasserhülle an, nivellieren sich die Unterschiede, und alle Wasserstoffbrückenbindungen sind gleich fest. Damit einhergehend verändert sich die Geometrie des DNA-Strangs: Das Rückgrat der Doppelhelix, das aus Zucker- und Phosphatgruppen besteht, verbiegt sich ein wenig. „Die exakte Struktur der DNA ist abhängig von der Menge an Wasser, die das Molekül umgibt“, fasst Dr. Fahmy zusammen.

Die Untersuchungen an der Erbsubstanz führte der Doktorand Hassan Khesbak am HZDR durch. Die aus Lachshoden stammende DNA wurde zunächst in dünnen Filmen präpariert und dann innerhalb von Sekunden mit feinst dosiertem Wasser benetzt. Mittels Infrarot-Spektroskopie konnte Khesbak in dieser Anordnung die unterschiedlich starken Wasserstoffbrückenbindungen und die unterschiedliche Verweildauer der Wassermoleküle in der Wasserhülle nachweisen.

Denn die Verknüpfungen zwischen Doppelhelix und Wasserhülle lassen sich mit infrarotem Licht zum Schwingen anregen. Je höher die Frequenz der Schwingung, desto lockerer ist die Wasserstoffbrückenbindung. Es zeigte sich, dass die Zuckerbaugruppen und die Basenpaare besonders feste Bindungen zur Wasserhülle aufbauen, während die Verknüpfungen zwischen Wasser und Phosphatgruppen schwächer sind. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Journal of the American Chemical Society“ (doi: 10.1021/ja108863v) veröffentlicht.

„Wir haben es bei der DNA also mit einem responsiven Material zu tun“, erläutert Karim Fahmy. „Darunter verstehen wir Materialien, die dynamisch auf sich variierende Bedingungen reagieren. Bei höherem Wassergehalt verändert sich die Struktur der Doppelhelix, die Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen und auch das Volumen der DNA.“ Schon jetzt ist die Erbsubstanz ein äußerst vielseitiges und interessantes Molekül für die sogenannte DNA-Nanotechnologie. Denn mit DNA lassen sich hoch geordnete Strukturen mit neuen optischen, elektronischen und mechanischen Eigenschaften in winzigen Dimensionen realisieren, für die man sich auch am HZDR interessiert.

Die gebundene Wasserhülle ist nicht nur ein fester Teil solcher Strukturen. Sie kann auch eine präzise Schaltfunktion übernehmen, da die Befunde zeigen, dass ein Wachstum der Hülle um nur zwei Wassermoleküle pro Phosphatgruppe ein schlagartiges "Umklappen" der DNA-Struktur bewirken kann. Solche wasserabhängigen Schaltprozesse könnten beispielsweise die Freisetzung von Wirkstoffen aus DNA-basierten Materialien steuern.

Es verwundert nicht, dass die Wasserhülle der Erbsubstanz auch für die natürliche biologische Funktion der DNA von Bedeutung ist. Denn jedes Biomolekül, das an die DNA bindet, muss dabei zunächst die Wasserhülle verdrängen. Diesen Vorgang haben die Dresdner Wissenschaftler für das Peptid Indolicidin untersucht. Der antimikrobielle Eiweißstoff ist selbst wenig strukturiert und sehr flexibel.

Dass er dennoch passgenau die Doppelhelix „erkennt“, liegt an der Freisetzung der hoch geordneten Wassermoleküle, wenn er sich mit der Erbsubstanz verbindet. Die in diesem Fall energetisch günstige Umstrukturierung der Wasserhülle erhöht die Anbindung des Wirkstoffs. Für die Entwicklung von DNA-bindenden Arzneimitteln, z.B. in der Krebstherapie, sind solche Details wichtig und können mit der am HZDR entwickelten Methodik erfasst werden.

Weitere Informationen
Dr. Karim Fahmy
Abteilung Biophysik am Institut für Radiochemie
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Tel. +49 351 260-2952
Pressekontakt
Dr. Christine Bohnet
Presseprecherin
Tel. 0351 260-2450 oder 0160 969 288 56
c.bohnet@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat das Ziel, langfristig ausgerichtete Spitzenforschung auf gesellschaftlich relevanten Gebieten zu leisten. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:

• Wie verhält sich Materie unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?

• Wie können Tumorerkrankungen frühzeitig erkannt und wirksam behandelt werden?

• Wie schützt man Mensch und Umwelt vor technischen Risiken?

Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden sechs Großgeräte mit teils einmaligen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das HZDR ist seit 1.1.2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat drei Standorte in Dresden, Leipzig und Grenoble und beschäftigt rund 800 Mitarbeiter – davon 370 Wissenschaftler inklusive 120 Doktoranden.

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.hzdr.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen
20.07.2018 | Universitätsklinikum Heidelberg

nachricht Erwiesen: Mücken können tropisches Chikungunya-Virus auch bei niedrigen Temperaturen verbreiten
20.07.2018 | Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin

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: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

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

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

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