Was die DNA zusammenhält

Dienstag, 24. Juli 2007, 14:56 • Rubrik Chemie, Physik.

DNA-HelixAnimation Die DNA, Trägerin der Erbinformation, besteht aus zwei, sich umeinander windenden Molekülsträngen. Wie diese berühmte Doppelhelix zustande kommt, helfen neue Experimente amerikanischer Physiker zu verstehen. Den Forschern gelang es erstmals, jene Kräfte zu vermessen, die zwischen benachbarten Basen-Bausteinen herrschen.

Animiertes Strukturmodell einer DNA-Helix.
Bild: Richard Wheeler/ Wikipedia

“Die Stabilität der DNA ist dermaßen grundlegend für das Leben, dass man alle beteiligten Faktoren verstehen muss”, erklärt Piotr Marszalek von der Duke University. Erst auf diese Weise könne man nachvollziehen, wie DNA mit Proteinen oder Wirkstoffen interagiere.

Jeder der beiden Einzelstränge in der DNA ist mit scheibenförmigen Basen gespickt, die mit ihren Pendants im jeweils anderen Strang schwache Bindungen ausbilden. Zusätzlicher Zusammenhalt besteht zwischen den übereinander gestapelten Basen ein und desselben Strangs. Wie stark diese “Stapel-Kraft” (stacking force) ist, hatte bislang nicht präzise bestimmt werden können.

Marszalek und Kollegen gingen das Problem an, indem sie DNA-Einzelstränge mit einem Ende an einer Goldoberfläche verankerten. An dem anderen Ende zogen sie mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops und ermittelten, welche Kraft nötig war, um den Strang nach und nach zu strecken.

Enthielt der Strang lediglich die Base Adenin, die bereits für starke Stapel-Kräfte bekannt ist, fanden sich zwei ausgeprägte Stufen in der Kraft-Dehnungs-Kurve, berichtet die Gruppe im Fachblatt “Physical Review Letters”. Jeweils bei Kräften um 23 und 113 Piconewton schienen reihenweise Bindungen in dem Strang nachzugeben, sodass sich dieser bereitwillig entfaltete.

Zum Vergleich: Um eine chemische Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen zu lösen, braucht es rund einhundert Mal stärkere Kräfte. Trat an die Stelle des Adenins das Thymin mit seinem schwachen nachbarschaftlichen Zusammenhalt, wies die Kurve keine Stufen auf.

Eigentlich habe man mit nur einer Stufe in der Kurve gerechnet, räumt Marszalek ein. Wie die zweite Stufe zustande komme, sei derzeit noch rätselhaft. Offenbar seien die Wechselwirkungen innerhalb des DNA-Moleküls komplexer als bislang angenommen.

Forschung: Changhong Ke, Michael Humeniuk und Piotr E. Marszalek, Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Duke University, Durham, North Carolina, und Hanna Sierzputowska-Gracz, Department of Molecular and Structural Biochemistry, North Carolina State University, Raleigh

Veröffentlichung Physical Review Letters, Vol. 99, Artikel 018302, DOI 10.1103/PhysRevLett.99.018302

WWW:
Marszalek Group
Aufbau und Struktur der Erbsubstanz
Basenstapelung und Strukturstabilisierung
Forces at the Biological Level

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