Untersuchung von DNA-Strahlenschädigung mittels DNA-Nanotechnologie

• Antragsteller: Professor Dr. Ilko Bald
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230710387

Die Schädigung von DNA durch elektromagnetische oder Teilchen-Strahlung ist ein zentraler Prozess, der beispielsweise in der Tumorstrahlentherapie abläuft. In der Therapie werden Radiosensibilisatoren wie etwa halogenierte Nukleoside eingesetzt, um Tumorgewebe anfälliger für Strahlung zu machen. Allerdings wird die DNA weniger durch die hochenergetische Primärstrahlung geschädigt, sondern vor allem durch niederenergetische Sekundärteilchen wie Elektronen. Es ist mittlerweile etabliert, dass die DNA-Schädigung durch Elektronen mit einer kinetischen Energie unterhalb von 12 eV über eine dissoziative Elektronenanlagerung abläuft. Die zugrundeliegenden Prozesse sind jedoch derzeit nur für einzelne DNA-Basen gut verstanden. Der Einfluss der DNA-Sequenz und eingebauter Radiosensibilisatoren auf die Entstehung von DNA-Strangbrüchen durch niederenergetische Elektronen konnte bisher nur in Ansätzen erforscht werden, da passende Analysemethoden fehlten. Im vorhergehenden Projekt des Antragstellers wurde eine neuartige Technik zur Bestimmung von DNA-Strangbruchausbeuten in Oligonukleotiden definierter Sequenz etabliert. Die zentralen Aspekte dieser Technik sind die Anordung der Zielsequenzen auf DNA-Origami-Nanostrukturen und der Nachweis der durch Elektronenbestrahlung verursachten DNA-Strangbrüche mittels Rasterkraftmikroskopie (RKM). Auf diese Weise können mehrere DNA-Sequenzen in einem Bestrahlungsexperiment miteinander verglichen werden, und absolute Wirkungsquerschnitte für Strangbrüche sind direkt zugänglich. Im vorliegenden Projekt sollen Wirkungsquerschnitte für Elektronen-induzierte Strangbrüche für DNA-Sequenzen bestimmt werden, die mit therapeutisch etablierten und potenziellen Radiosensibilisatoren modifiziert wurden. Durch Vergleich mit unveränderten DNA-Sequenzen können Verstärkungsfaktoren für DNA-Strangbrüche bei verschiedenen Elektronenenergien bestimmt werden. Die Struktur der Radiosensibilisatoren wird systematisch variiert, um den zugrundeliegenden Schadensmechanismus zu verstehen und Impulse für die Entwicklung künftiger Radiosensibilisatoren geben zu können.Weiterhin soll der Einfluss eines wässrigen Lösungsmittels auf die DNA-Schädigung untersucht werden. Goldnanopartikel dienen dabei als Quelle für Photoelektronen, die die in Lösung befindliche DNA schädigen können. Der Einfluss des Lösungsmittels wird einerseits durch Ermittlung der Strangbrüche über die DNA-Origami-Technik mittels RKM nachgewiesen und die erhaltenen Ausbeuten mit denen aus Vakuumexperimenten verglichen. Andererseits können entstehende Zerfallsprodukte durch oberflächenverstärkte Raman-Streuung nachgewiesen werden. Auf diese Weise ist es möglich, komplementäre Informationen über chemische Veränderungen der DNA in wässriger Umgebung durch Bestrahlung zu erhalten und somit Schadensmechanismen in immer komplexeren Systemen zu untersuchen und zu verstehen. Schließlich sollen die physikochemischen Mechanismen der Strahlensensibilisierung von DNA aufgedeckt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen