Chemische Sonde enthüllt ultraschnelle Bewegungen von DNA-Proteinen

Chemische Sonde enthüllt ultraschnelle Bewegungen von DNA-Proteinen
Chemische Sonde enthüllt ultraschnelle Bewegungen von DNA-Proteinen
Anonim

COLUMBUS, Ohio - Eine von Chemikern der Ohio State University entwickelte Sonde hat ein neues Geheimnis im Leben der DNA enthüllt: Die Stränge von Verbindungen, aus denen das Molekül besteht, vibrieren, dehnen und schwingen in winzigen Bewegungen hin und her dauern nur einen Bruchteil einer Sekunde.

Während Wissenschaftler vermuteten, dass sich die DNA in diese Richtung bewegen könnte, gab es bis jetzt keine Technologie, um ihren Verdacht zu bestätigen.

"Diese Forschung könnte es uns ermöglichen, grundlegende Fragen zur Funktionsweise von DNA zu beantworten", sagte Robert Coleman, außerordentlicher Professor für Chemie an der Ohio State.

Die Sonde kann das Arzneimitteldesign verbessern und Ärzten dabei helfen, Krankheiten zu verstehen, die durch genetische Mutationen entstehen, wie etwa Krebs.

Coleman und Mihaela Madaras, eine ehemalige Postdoktorandin in Chemie, konstruierten die fluoreszierende Sonde und einen Strang synthetischer DNA. Die Sonde ähnelt einer Reihe von Basenpaaren auf dem DNA-Strang und ersetzt die Basenpaare während des Experiments.

Die Chemiker des Bundesstaates Ohio führten diese Arbeit als Team mit Wissenschaftlern der University of South Carolina durch. Diese Wissenschaftler – Catherine Murphy und Mark Berg, beide außerordentliche Professoren für Chemie und Biochemie, und Eric Brauns, ein Doktorand – richteten einen ultraschnellen Lichtblitz auf die Sonde, um Bewegungen in der DNA zu erkennen, die nur Billionstel Sekunden dauerten.

Die Ergebnisse erscheinen diesen Monat im Journal of the American Chemical Society.

"DNA ist nicht starr, sie ist flexibel. Sie vibriert. Sie 'atmet' sozusagen", erklärte Coleman. "Seine Komponenten unterliegen Bewegungen auf einer Zeitskala, die viel schneller abläuft als alle bisherigen Messungen."

Früher konnten Wissenschaftler nur die weniger empfindlichen Bewegungen der gesamten verdrehten Leiter von Molekülen messen, aus denen eine DNA-Helix besteht. Sie könnten beispielsweise untersuchen, was passiert, wenn sich ein DNA-Strang zusammenrollt und wie ein zerknittertes Gummiband in sich zusammenf altet. Die Sonde des Bundesstaates Ohio ermöglichte es den Wissenschaftlern aus South Carolina, viel kleinere Bewegungen zu messen – die der chemischen Basenpaare, aus denen die Sprossen der Leiter bestehen.

Laut Coleman verändern diese Basenpaare, wenn sie sich bewegen, die Form des DNA-Moleküls, und das könnte erklären, warum bestimmte Proteine ​​und Medikamente bestimmte DNA-Sequenzen erkennen.

"Das ist der wirklich aufregende Teil", sagte Coleman. "Die Anwendungsmöglichkeiten der Sonde sind enorm."

Insbesondere interessiert sich Coleman für Antitumormittel, die die DNA schädigen, und für Enzyme im Körper, die Schäden reparieren. „Vielleicht können Enzyme beschädigte Stellen erkennen, weil sich die Form der DNA verändert hat.Wir konnten unsere Sonde in ein DNA-Stück in der Nähe einer beschädigten Stelle stecken und wir konnten sehen, wie sich die Funktion der DNA infolge der Beschädigung veränderte", sagte er.

Die Sonde könnte Wissenschaftlern helfen, Krankheiten zu verstehen, die entstehen, wenn beschädigte DNA dazu führt, dass Zellen ihre chemischen Anweisungen verwirren und Fehlfunktionen verursachen. Ärzte glauben, dass Krankheiten wie Bluthochdruck, Krebs, Herzkrankheiten, Diabetes und sogar Erkrankungen wie Schizophrenie auf Mutationen in der DNA zurückzuführen sind, die nicht repariert werden.

"Um zu verstehen, was in diesen Situationen passiert, muss man in die DNA eindringen. Hier kommt die Sonde ins Spiel", sagte Coleman. "Unsere Sonde ist anders, weil sie genau eines der natürlichen Basenpaare auf dem DNA-Rückgrat ersetzt. Nach bestem Wissen und Gewissen, um Veränderungen nachzuweisen, hat unsere Sonde die Gesamtstruktur nicht verändert oder die DNA verzerrt."

Andere Wissenschaftler mussten Sonden an der Außenseite der DNA-Helix anbringen, sodass die Messungen, die sie erh alten haben, nicht so genau sind, sagte er.

Coleman und Madaras entwarfen die Sonde am Computer und stellten sie dann im Labor her, zusammen mit einem synthetischen DNA-Strang für den Test.

Während der Experimente stieg und fiel die Intensität des von der Sonde reflektierten Lichts im Verlauf von 300 Pikosekunden oder 300 Billionstel Sekunden, was darauf hindeutet, dass sich die Komponenten des DNA-Strangs während dieser Zeit energisch bewegten.

Diese Technik spiegelt die von Ahmed Zewail, Nobelpreisträger von 1999 für Chemie, wider, der ultraschnelle Lichtpulse verwendet, um die Bewegung von Atomen innerhalb von Molekülen zu beobachten.

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