DNA im Hochspannungsfeld

  • 08. August 2016

Die ersten beiden Wasserschichten um eine DNA-Doppelhelix erzeugen extrem starke lokale elektrische Felder.

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. Eine alternierende Anordnung negativ geladener Phosphat­gruppen und polarer Zucker­einheiten bildet das Rückgrat der Doppelhelix, welches direkt mit den umgebenden Wasser­molekülen wechselwirkt. 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.

Abb.: Oberfläche einer DNA-Doppelhelix (oben). In blau die Gegenionen, die kleinen gewinkelten Strukturen sind Wassermoleküle. Verlauf des zeitlich gemittelten elektrischen Feldes (blau) als Funktion des Abstandes von der DNA-Oberfläche (unten; Bild: MBI)

Abb.: Oberfläche einer DNA-Doppelhelix (oben). In blau die Gegenionen, die kleinen gewinkelten Strukturen sind Wassermoleküle. (Bild: MBI)

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 herausfanden, 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 die Forscher mit Hilfe der zweidimensionalen Infrarot­spektroskopie in Echt­zeit auf einer Zeitskala im Femto­sekunden­bereich aufzeichneten. Um unterschiedliche Beiträge zu den fluktuierenden elektrischen Feldern an der DNA-Oberfläche zu unterscheiden, variierten sie den Wasser­gehalt der DNA-Proben systematisch.

Wie Experimente und umfangreiche theoretische Analysen zeigen, erzeugen Wasser­moleküle in den ersten beiden Schichten, die die DNA umgeben, ein extrem starkes elektrisches Feld, während ionische Gruppen und weiter außen liegende Wasser­moleküle nur eine unter­geordnete Rolle spielen. Die räumliche Reichweite des Feldes beträgt nur etwa ein Nanometer, bei einer Stärke von bis zu 100 Millionen Volt pro Zentimeter. Thermische Bewegungen der Wassermoleküle führen zu Feld­fluktuationen von 25 Millionen Volt pro Zentimeter auf einer Zeitskala von 300 Femto­sekunden. 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.

FVB / DE

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