Untersuchung von DNA-Strahlenschädigung mittels DNA-Nanotechnologie
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wenn hochenergetische Strahlung auf biologisches Gewebe trifft, werden zunächst Wassermoleküle ionisiert und es entsteht eine Kaskade an sekundären niederenergetischen Elektronen (mit typischen Energien kleiner als 20 eV). Die Forschung der letzten zwanzig Jahre hat gezeigt, dass diese Sekundärelektronen für einen Großteil des Strahlenschadens in biologischem Gewebe verantwortlich sind. Dabei spielt vor allem der Schaden der DNA – als Träger der Erbinformation – eine wichtige Rolle. Das Ziel dieses Projektes war es, im Detail zu verstehen, wie Elektronen-induzierte DNA-Strangbrüche von der Sequenz der DNA abhängen und ob Elektronen-induzierte DNA-Schädigung auch in wässriger Umgebung (wie sie in biologischen Zellen zu finden ist) ablaufen kann. Für diese zwei Fragestellungen wurden neue Methoden entwickelt und angewendet, die auf der Verwendung von DNA-Origami- Nanostrukturen und metallischen Nanopartikeln beruhen. Die zu untersuchenden DNA-Zielsequenzen wurden auf DNA-Origami-Nanoplattformen aufgebracht und mit Elektronen definierter Energie bestrahlt. Durch Abbildung mit einem Rasterkraftmikroskop konnte die Anzahl der Strahlen-induzierten Strangbrüche in den Zielsequenzen absolut quantifiziert und in Abhängigkeit von der DNA-Sequenz und der Elektronenenergie untersucht werden. Wir haben herausgefunden, dass Strangbrüche in allen untersuchten Sequenzen bevorzugt um etwa 7 eV Elektronen entstehen, was auf den Mechanismus der Schädigung hindeutet nämlich die initiale Entstehung von anionischen Resonanzen durch Elektroneneinfang bei besagter Energie. Einige Sequenzen zeigen ein weiteres Maximum bei etwa 10 eV und Doppelstrangbrüche entstehen auch bevorzugt um 10 eV. Die Unterschiede zwischen den Sequenzen sind relativ gering, es gibt aber einige spezifische DNA-Sequenzen, die besonders empfindlich auf niederenergetische Sekundärelektronen reagieren, wie die Telomer-Sequenz, die sehr reich an Guanin ist, sich in zahlreichen Wiederholungen an den Enden von Chromosomen befinden und dessen Länge über die Lebensdauer einer Zelle bestimmt. Die Ergebnisse der Studie wurden in ChemistryViews weiter aufgearbeitet (https://www.chemistryviews.org/details/ezine/10934136/Low-Energy_Electrons_Cause_DNA_Strand_Breaks.html). Hochenergetische Strahlung wird auch in der Tumor-Strahlentherapie gezielt zur Reduktion von Tumorgewebe eingesetzt. In diesem Projekt konnten wir die Wirkung von sog. Radiosensibilisatoren untersuchen, die in die DNA eingebaut werden und das Tumorgewebe sensibler gegenüber Strahlung machen sollen. Wir konnten zeigen, dass der Einbau von halogenierten Nukleotiden in die DNA fast zu einer Verdoppelung der Elektronen-induzierten DNA-Strangbrüche führt, was klar belegt, dass die Wirkungsweise dieser Therapeutika auf die Wechselwirkung mit niederenergetischen Elektronen zurückzuführen ist. Diese Einsicht in die Mechanismen der Radiosensibilisierung kombiniert mit der neu entwickelten DNA-Origami basierten Quantifizierung von strahleninduzierten DNA-Strangbrüchen in spezifischen Sequenzen ermöglicht die gezielte Entwicklung neuer Radiosensibilisatoren mit verbesserten Eigenschaften.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Decomposition of DNA nucleobases by laser irradiation of gold nanoparticles monitored by surface-enhanced Raman scattering; J. Phys. Chem. C 2016,120, 3001
R. Schürmann, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b10564) - Sensitizing DNA Towards Low-Energy Electrons with 2-Fluoroadenine; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 10248
J. Rackwitz, J. Kopyra, I. Dabkowska, K. Ebel, M. Lj. Rankovic, A. R. Milosavljevic, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201603464) - A novel setup for the determination of absolute cross sections for lowenergy electron induced strand breaks in oligonucleotides – The effect of the radiosensitizer 5-fluorouracil; Eur. Phys. J. D 2017, 71, 32
J. Rackwitz, M. Lj. Rankovic, A. R. Milosavljevic, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1140/epjd/e2016-70608-4) - Dissociative Electron Attachment to Biomolecules, in: Nanoscale Insights into Ion-Beam Cancer Therapy, Ed.: A. Solov'yov, Springer 2017
I. Bald, R. Curik, J. Kopyra, M. Tarana
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-43030-0_5) - Effect of adsorption kinetics on dissociation of DNA-nucleobases on gold nanoparticles under pulsed laser illumination; Phys. Chem. Chem. Phys. 2017,19, 10796
R. Schürmann, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6cp08433h) - Real-time monitoring of plasmon induced dissociative electron transfer to the potential DNA radiosensitizer 8-bromoadenine; Nanoscale 2017, 9, 1951
R. Schürmann, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6nr08695k) - Resonant formation of strand breaks in sensitized oligonucleotides induced by low-energy electrons (0.5 - 9.0 eV); Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 10952
R. Schürmann, T. Tsering, K. Tanzer, S. Denifl, S. V. K. Kumar, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201705504) - Stability of the Parent Anion of the Potential Radiosensitizer 8-Bromoadenine Formed by Low-Energy (<3 eV) Electron Attachment; J. Phys. Chem. B 2017, 121, 5730
R. Schürmann, K. Tanzer, I. Dabkowska, S. Denifl, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b02130) - Low-Energy Electron-Induced Strand Breaks in Telomere-Derived DNA Sequences - Influence of DNA Sequence and Topology, Chem. Eur. J. 2018, 24, 4680
J. Rackwitz, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201705889) - The physico-chemical basis of DNA radiosensitization - Implications for cancer radiation therapy, Chem. Eur. J. 2018, 24, 10271
R. Schürmann, S. Vogel, K. Ebel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201800804) - Electron-Induced Reaction in 3-Bromopyruvic Acid, Chem. Eur. J. 2019, 25, 5498-5506
F. Ferreira da Silva, M. Varella, N. Jones, S. Hoffmann, S. Denifl, I. Bald and J. Kopyra
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201806132) - Length and Energy Dependence of Low-Energy Electron-Induced Strand Breaks in Poly(A) DNA; Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 111
K. Ebel, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms21010111)
