Wassermoleküle prägen die Struktur der Erbsubstanz DNA
Die Erbsubstanz DNA ist von Wassermolekülen auf eine ganz besondere Art umgeben. Die Beschaffenheit dieser Hydrathülle hängt einerseits vom Wassergehalt ab, wie Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf herausgefunden haben, und beeinflusst andererseits die Struktur der Erbsubstanz selbst. Diese Erkenntnisse sind nicht nur wichtig für das Verständnis der biologischen Funktion der DNA, sondern könnten auch für die Konstruktion von neuen DNA-basierten Materialien genutzt werden.
Die Doppelhelix der DNA liegt niemals isoliert vor, sondern ihre gesamte Oberfläche ist stets von Wassermolekülen bedeckt, die sich über Wasserstoffbrückenbindungen anheften. Doch die DNA hält nicht alle Moleküle gleich fest. „Wir haben nachgewiesen, dass ein Teil des Wassers stärker gebunden ist, andere Moleküle hingegen schwächer“, so Dr. Karim Fahmy, Leiter der Abteilung Biophysik am Institut für Radiochemie. Dies gilt jedoch nur, solange der Wassergehalt niedrig ist. Wächst die Wasserhülle an, nivellieren sich die Unterschiede, und alle Wasserstoffbrückenbindungen sind gleich fest. Damit einhergehend verändert sich die Geometrie des DNA-Strangs: Das Rückgrat der Doppelhelix, das aus Zucker- und Phosphatgruppen besteht, verbiegt sich ein wenig. „Die exakte Struktur der DNA ist abhängig von der Menge an Wasser, die das Molekül umgibt“, fasst Dr. Fahmy zusammen.
Die Untersuchungen an der Erbsubstanz führte der Doktorand Hassan Khesbak am HZDR durch. Die aus Lachshoden stammende DNA wurde zunächst in dünnen Filmen präpariert und dann innerhalb von Sekunden mit feinst dosiertem Wasser benetzt. Mittels Infrarot-Spektroskopie konnte Khesbak in dieser Anordnung die unterschiedlich starken Wasserstoffbrückenbindungen und die unterschiedliche Verweildauer der Wassermoleküle in der Wasserhülle nachweisen. Denn die Verknüpfungen zwischen Doppelhelix und Wasserhülle lassen sich mit infrarotem Licht zum Schwingen anregen. Je höher die Frequenz der Schwingung, desto lockerer ist die Wasserstoffbrückenbindung. Es zeigte sich, dass die Zuckerbaugruppen und die Basenpaare besonders feste Bindungen zur Wasserhülle aufbauen, während die Verknüpfungen zwischen Wasser und Phosphatgruppen schwächer sind. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Journal of the American Chemical Society“ (doi: 10.1021/ja108863v) veröffentlicht.
(Textauszug: Uta Bilow)
Quelle: Pressemitteilung des Helmholtz Zentrums Dresden Rossendorf vom 18.04.2011
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