09.09.2016

Kräftemessen im Erbgutmolekül

Stapelkraft in DNA-Doppelhelix erst­mals direkt ge­messen.

Die DNA hat die Struktur einer Doppelhelix. Für ihre Stabi­lität sind unter anderem die Basen­paar-Stapel­wechsel­wirkungen verant­wort­lich. Forschern der TU München ist es zum ersten Mal gelungen, diese Kraft direkt zu messen. Das neue Wissen könnte dabei helfen, präzise mole­kulare Maschinen aus DNA zu konstru­ieren.

Abb.: Illustration der Basen­paar-Stapel­wechsel­wirkungen. (Bild: C. Hohmann & H. Dietz, TU München)

Hendrik Dietz von der TU München nutzt DNA als Baumaterial, um mole­kulare Struk­turen zu konstru­ieren. Daher hat er auch ein großes Interesse daran, dieses Material genau zu verstehen. „Es gibt im Grunde zwei Typen von Wechsel­wirkungen, die Doppel­helices stabili­sieren“, erklärt er. Zum einen sind in der DNA die Wasser­stoff­brücken­bindungen vor­handen. Zum anderen gibt es die Basen­paar-Stapel­wechsel­wirkungen, die zwischen den aufein­ander­gesta­pelten Basen­paaren entlang der Spiral­achse wirken. Die Kräfte der Wasser­stoff­brücken­bindungen wirken dagegen senk­recht zur Achse. „Bisher ist nicht klar, mit welchen Anteil diese beiden Kräfte jeweils zur gesamten Stabi­lität der DNA-Doppel­helix beitragen“, so Dietz.

Die schwache Stapelkraft zwischen einzelnen Basenpaaren direkt zu messen war eine große tech­nische Heraus­forderung für die Forscher, an der sie sechs Jahre lang arbeiteten. Dem Team gelang es, ein spezielles Mess­system zu entwickeln, das es zum ersten Mal möglich macht, ultra­schwache Kontakt-Wechsel­wirkungen zwischen einzelnen Mole­külen zu messen. Verein­facht darge­stellt handelt es sich bei dem hierar­chisch aufge­bauten Mess­system um mikro­skopische Balken, an deren Spitze sich eine oder mehrere parallel ver­laufende Doppel­helix-Strukturen befinden. Diese sind so modi­fiziert, dass sie am Ende jeweils ein Basen­paar tragen. Zwei dieser mikro­skopischen Balken­ein­heiten sind durch ein Polymer mit­ein­ander ver­bunden.

Auf der anderen Seite sind die Balken an mikroskopische Kügelchen ge­koppelt, die wiede­rum mit einer optischen Laser­pinzette ausein­ander­gezogen werden können. In Lösung können nun die Basen­paare am Ende der einen Balken­einheit mit den Basen­paaren am Ende der anderen Balken­einheit inter­agieren. Und es lässt sich messen, wie lange eine Stapel­bindung zwischen ihnen anhält, bevor sie sich durch eine Fluktu­ation wieder trennen, und natürlich auch die Kraft, die zwischen den Basen­paaren wirkt.

Die von den Forschern gemessenen Kräfte liegen im Bereich Piko­newton. Kräfte im Bereich von zwei Piko­newton reichen aus, um die durch Stapel­wechsel­wirkungen erzeugte Bindung zu trennen. Die Wissen­schaftler konnten außerdem beob­achten, dass die Bindungen inner­halb weniger Milli­sekunden spontan zerfallen und sich wieder bilden. Wie stark die Bindungen sind und wie lange sie halten, hängt dabei stark davon ab, welche Basen­paare aufein­ander gestapelt sind.

Die Ergebnisse aus den Messungen helfen dabei, mechanische Aspekte von grund­legenden biolo­gischen Prozessen wie etwa die DNA-Repli­kation besser zu verstehen. Die geringe Lebens­dauer der Stapel­wechsel­wirkung könnte beispiels­weise bedeuten, dass ein Enzym, das die Auf­gabe hat, bei diesem Prozess die Basen­paare zu trennen, eigent­lich nur darauf warten muss, dass die Stapel­bindungen von alleine auf­gehen – statt Kraft aufzu­wenden, um sie zu trennen.

Dietz will die Daten aber auch direkt auf seine aktuellen Forschung an­wenden: Er nutzt DNA als pro­grammier­bares Konstruk­tions­material, um Maschinen auf Nano­ebene zu bauen. Dabei orien­tiert er sich als Inspi­ration an den komplexen Strukturen, die etwa in den Zellen zu finden sind und unter anderem als mole­kulare Fabriken wichtige Verbin­dungen wie den Energie­speicher ATP synthe­tisieren. „Wir wissen also, was alles möglich wäre, wenn wir in der Lage wären, aus­reichend kompli­zierte Struk­turen zu bauen“, sagt Dietz. „Und wenn wir ein besseres Verständnis der molekularen Wech­sel­wir­kungen haben, können wir natürlich besser mit den Molekülen bauen.“ Momentan konstru­iert die Arbeits­gruppe einen moleku­laren Ro­ta­tions-Motor aus DNA, dessen Kompo­nenten über Stapel­bindungen inein­ander­greifen und zusammen­halten. Ziel ist es, eine gerichtete Rotation durch chemische oder thermische Impulse steuern zu können.

TUM / RK

Anbieter des Monats

Dr. Eberl MBE-Komponenten GmbH

Dr. Eberl MBE-Komponenten GmbH

Das Unternehmen wurde 1989 von Dr. Karl Eberl als Spin-off des Walter-Schottky-Instituts der Technischen Universität München gegründet und hat seinen Sitz in Weil der Stadt bei Stuttgart.

Veranstaltung

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Die neue Kongressmesse für Quanten- und Photonik-Technologien bringt vom 13. bis 14. Mai 2025 internationale Spitzenforschung, Industrieakteure und Entscheidungsträger in der Messe Erfurt zusammen

Meist gelesen

Themen