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NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Mittwoch, 25. Juli 2018

Es wird warm, Zeit sich zu entwinden

Biophysik

Aufbau der magnetischen Pinzetten. Bild: F. Kriegel

Aufbau der magnetischen Pinzetten. Bild: F. Kriegel

Bei steigenden Temperaturen entwinden sich die helikalen Strukturen der DNA. Um diesen Prozess zu quantifizieren, nutzen die Gruppe von NIM Biophysiker Prof. Jan Lipfert und ihre Kollaborationspartner Einzelmolekül-Messungen mit magnetischen Pinzetten und die atomistische Molekulardynamik von DNA-Molekülen.


Die DNA in Zellen ist der Träger aller genetischer Information und wird mehr und mehr auch als Konstruktionsmaterial in verschiedenen nanotechnologischen Ansätzen verwendet. Durch neu entwickelte Methoden können Strukturen aus DNA präzise geplant und aufgebaut werden. Grundlegend für die Vorhersage von Verhalten und Stabilität solcher Strukturen ist das Wissen über die (mechanischen) Eigenschaften der DNA. Ein entscheidendes Merkmal ist ihre stabile Helixstruktur – dabei muss man allerdings beachten, dass sich diese Helix bei steigenden Temperaturen (auch weit unterhalb der Schmelztemperatur) entwindet.
Bis jetzt war dieses Phänomen nicht genau charakterisiert, deshalb haben Professor Öffnet externen Link in neuem FensterJan Lipfert und seine Kollaborationspartner die Temperaturabhängigkeit der DNA-Windung und die strukturellen Änderungen der DNA nach der Entwindung um einige Grad mittels Einzelmolekül-Messungen mit magnetischen Pinzetten, atomistischer Molekulardynamik und Coarse-grained-Simulationen quantitativ aufgeklärt. Die Ergebnisse sind in Öffnet externen Link in neuem FensterNucleic Acids Research veröffentlicht.

Die DNA und ihre Windungen
Der Windungswinkel ist einer der mechanischen Parameter, der die Doppelhelix-Struktur beschreibt. Unter physiologischen Bedingungen umfasst eine Windung 10,5 Basenpaare. Lipfert und seine Kollegen konnten zeigen, das magnetische Pinzetten eine geeignete analytische Methode zur Messung des Drehwinkels darstellen, denn sie erlauben die Aufwendung von kleineren Kräften als optische Pinzetten oder Rasterkraftmikroskope.
Die Kräfte und Drehmomente lagen dabei im Pikonewton-Maßstab, und die helikale Windung konnte exakt auf -11 Grad pro Kilobasenpaar DNA und pro Grad Celsius ((-11.0 ± 1.2) Grad/(°C*kbp)) bestimmt werden. Die Messungen wurden in einem Temperaturbereich von 20 bis 45 °C durchgeführt, deutlich unterhalb der Schmelztemperatur von DNA.

Magnetische Pinzetten und Simulationen der Molekulardynamik
Seit Experimenten mit ringförmigen DNA-Plasmiden in den späten 1960er Jahren ist bekannt, dass sich DNA Temperatur-abhängig entwindet. Um diesen Effekt genau zu untersuchen, haben Lipfert und Kollegen neue Techniken entwickelt. So wurde die direkte Messung von Änderungen des Drehwinkels der DNA-Helix möglich.
„Die Ergebnisse unserer experimentellen Messungen sind vereinbar mit den nach dem atomistischen Modell simulierten Werten. Sie zeigen einen beinahe linearen Abfall des Windungswinkels bei steigenden Temperaturen.“ Hebt Dr. Franziska Kriegel, frühere NIM-GP Doktorandin und nun PostDoc in der Gruppe von Jan Lipfert, hervor. „Die Messungen mit den magnetischen Pinzetten liefern uns präzise Ergebnisse und erlauben das Testen von Parametern wie verschiedenen Kraftfeldern. Das atomistische Modell bietet uns einen Einblick in strukturelle Änderungen. So zeigen wir, dass Änderungen im DNA-Rückgrat Ursache der Entwindung sind.“

Im Versuchsaufbau mit magnetischen Pinzetten waren die DNA-Moleküle sozusagen gefangen zwischen beweglichen Magnetpartikeln und der Oberfläche der Messzelle. Magnete, die beweglich oberhalb der Messzelle befestigt waren, ermöglichten das Ziehen mit genau definierten Kräften und die Kontrolle der DNA-Windungen. Für eine Kraft-abhängige Entwindung konnte durch das Bewegen der Magnete in alle Richtungen an der DNA-Probe gezogen werden.
Mittels neu entwickelten Heizeinheiten für den Aufbau der magnetischen Pinzetten, konnte die Temperatur der DNA-Probe lokal auf etwa 45 °C erhöht werden bei paralleler Messung des Windungswinkles. „Wir konnten zeigen, dass das Temperatur-abhängige Aufschmelzen der Basenpaar-Bindungen in Simulationen nach der atomistischen Molekulardynamik keinen großen Anteil hatte.“ erklärt Kriegel.

Obwohl solch eine Entwindung nur ein schwacher Effekt scheint, so können auch kleine Veränderungen des DNA-Windungswinkels schon einen deutlichen Effekt haben. Beispielsweise in DNA-Origami-Strukturen höherer Ordnung haben Steigung und Biegung einen deutlichen Einfluss.
Andererseits können spontane und vorübergehende Basenpaarbrüche der DNA, die durch die Simulation aufgedeckt wurden, aber auch wichtige Bindestellen für Proteine bieten oder gewollte Strukturveränderungen der DNA-Helix zur Folge haben.


Publikation:
The temperature dependence of the helical twist of DNA.
Kriegel F, Matek C, Drsata T, Kulenkampff K, Tschirpke S, Zacharias M, Lankas F, Lipfert J. Nucleic Acid Research 2018, 24 July 2018, Öffnet externen Link in neuem Fensterdoi.org/10.1093/nar/gky599 


Kontakt:
Prof. Dr. Jan Lipfert
Chair of Applied Physics
Biophysics and Molecular Materials
Ludwig-Maximilians-Universität
Amalienstr. 54
D - 80799 München

Tel: +49 89 2180 2005

E-Mail: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailjan.lipfert(at)lmu.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.molecularbiophysics.physik.lmu.de

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