17.01.2019

Dynamische Sonden für Biomoleküle

Schwingungen von Phosphatgruppen geben Einblick in Wechsel­wirkungen und Strukturen.

DNA und RNA sind geladene Polymere, die genetische Informa­tionen in einer Doppel­helix­struktur kodieren und eine Schlüssel­rolle bei der Bio­synthese von Proteinen spielen. Ihre negativen Ladungen sind im moleku­laren Rück­grat ange­ordnet, das aus ionischen Phosphat­gruppen und Zucker­ring­strukturen besteht. Eine Stabili­sie­rung der makro­moleku­laren DNA- und RNA-Strukturen erfordert die Kompen­sa­tion der stark abstoßenden elek­trischen Kräfte zwischen den Phosphat­gruppen durch Ionen entgegen­gesetzter Ladung. Hierbei sind Magnesium-Ionen besonders wichtig, da sie über die Stabili­sie­rung der Struk­turen hinaus auch externe Bindungs­partner erkennen und als kataly­tische Zentren dienen. Ver­ände­rungen der makro­moleku­laren Struktur sind bei Faltungs­prozessen mit einer Umord­nung der positiven Ionen und der um­gebenden Wasser­hülle ver­bunden.

Abb.: DNA-Doppelhelix in einer Wasser­hülle (gewinkelte kleine Moleküle,...
Abb.: DNA-Doppelhelix in einer Wasser­hülle (gewinkelte kleine Moleküle, nicht maß­stäb­lich). Die kugel­förmigen roten Struk­turen auf der Helix­ober­fläche stellen die Sauer­stoff­atome der negativ geladenen Phosphat­gruppen dar, die blauen Kugeln positiv geladene Ionen in der Um­gebung. (Bild: MBI)

Positive Ionen in der Umgebung von DNA und RNA existieren in unter­schied­lichen Geometrien. In Kontakt-Ionen­paaren ist ein positives Ion in direkter räumlicher Nachbarschaft eines Sauerstoffatoms der Phosphatgruppe angeordnet. Hingegen besteht die äußere Ionen­atmo­sphäre aus positiven Ionen, die durch mindestens eine Schicht von Wasser­molekülen von den Phosphat­gruppen getrennt sind. Die funktio­nellen Eigen­schaften der ver­schiedenen Geometrien und ihre Wechsel­wirkungen sind bisher nur teil­weise ver­standen. Eine tiefere Einsicht auf moleku­larem Niveau erfordert hoch­empfind­liche Sonden, welche die ver­schiedenen Geometrien unter­scheiden ohne sie zu ver­ändern und ihre Dynamik auf der ultra­kurzen Zeit­skala moleku­larer Bewegungen ver­folgen können.

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts zeigten jetzt, dass Schwingungs­anregungen der Phosphat­gruppen empfind­liche nicht­invasive Sonden dar­stellen, mit denen sich Ionen-Geometrien in einer Wasser­umgebung unter­scheiden lassen. In den Experi­menten wurde Dimethyl­phosphat, ein etabliertes Modell­system für das DNA- und RNA-Rückgrat, in Wasser mit einem Über­schuss von Magnesium-Ionen präpa­riert und mittels nicht­linearer Schwingungs­spektro­skopie im Femto­sekunden­zeit­bereich unter­sucht. Die Experi­mente beruhen auf zwei­dimen­sio­naler Infrarot-Spektro­skopie – einer aus­ge­reiften und sehr aussage­kräftigen Methode, um ionische Wechsel­wirkungen und Geometrien zu studieren.

In den Experimenten werden Magnesium-Ionen in direktem Kontakt mit einer Phosphat­gruppe ers­mals durch eine neue separate Bande im 2D-IR-Spektrum nach­ge­wiesen. Die Kopplung an das Magnesium-Ion ver­schiebt die asymme­trische Streck­schwingung der Phosphat­gruppe zu einer höheren Frequenz als in Abwesen­heit von Magnesium-Ionen. Die Linien­form und die zeit­liche Ent­wick­lung der neuen Bande machen Fluktu­a­tionen der Ionenpaar-Geometrie und der umgebenden Wasser­hülle auf der Zeit­skala einiger hundert Femto­sekunden sicht­bar, während die Paar­geometrie selbst für viel längere Zeit erhalten bleibt. Eine genaue theore­tische Analyse zeigt, dass die subtile Balance zwischen anziehenden elek­trischen Kräften und abstoßenden Kräften, die von der quanten­mecha­nischen Aus­tausch­wechsel­wirkung her­rühren, die Frequenz­position der Phosphat­schwingung bestimmen.

Mit der Charakterisierung der kurzreichweitigen Phosphat-Ionen-Wechsel­wirkung in Lösung durch 2D-IR-Spektro­skopie steht ein neu­artiges analy­tisches Werk­zeug zur Ver­fügung, das statische Techniken der Struktur­auf­klärung erweitert. Eine Anwen­dung dieses neuen Konzepts auf DNA und RNA und ihre ionische Umgebung erscheint viel­ver­sprechend und wird zur Auf­klärung der Mecha­nismen bei­tragen, die Bio­moleküle im Gleich­gewicht stabili­sieren und Faltungs­prozesse treiben.

FV Berlin / RK

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