Wechselwirkung von Vakuum-UV-Strahlung (6 - 12 eV) mit komplexen DNA-Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Ilko Bald; Privatdozent Dr. Thomas Körzdörfer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281049597

Die Wechselwirkung von UV-Strahlung mit lebenden Organismen kann unter anderem zu Mutationen des Erbgutes führen. Die photophysikalischen Prozesse, die bei Anregung des niedrigsten pi-pi*-Übergangs der Nukleinbasen (bei etwa 4.8 eV bzw. 260 nm) ablaufen und unter anderem zur Ausbildung von Thymin-Dimeren führen, wurden in den letzten 10 - 15 Jahren sehr ausführlich untersucht. Bei Anregung von DNA mit Photonen einer Energie von etwa 6 eV können bereits DNA-Strangbrüche entstehen, die oberhalb der Ionisierungsschwelle von Nukleinbasen (> 8 - 9 eV) die häufigste Form der DNA-Strahlenschädigung darstellen. Die Mechanismen photoinduzierter DNA-Strangbrüche sind bislang jedoch nur unzureichend bekannt. Das Ziel dieses Projektes ist die genaue Charakterisierung der Anregung bzw. Ionisierung von Oligonukleotiden durch Photonen einer Energie unterhalb und knapp oberhalb der Ionisierungsschwelle der Nukleinbasen (6 - 12 eV) und die Quantifizierung der dadurch versursachten DNA-Strangbrüche. Dazu werden Oligonukleotide mit definierten Sequenzen bis zu einer Länge von etwa 15 Nukleotiden sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht, um den Einfluss der DNA-Sequenz sowie der lokalen Umgebung auf Vakuum-UV (VUV)-induzierte DNA-Strangbrüche aufzuklären. Zunächst werden absolute Wirkungsquerschnitte für DNA-Strangbrüche als Funktion der Nukleotidsequenz und der Photonenenergie unter Verwendung von Synchrotronstrahlung bestimmt. Die Zielsequenzen werden mittels einer kürzlich entwickelten DNA-Origami-basierten Technik bereitgestellt, während die Analyse mittels Rasterkraftmikroskopie die effektive Bestimmung der Strangbruch-Wirkungsquerschnitte ermöglicht. Um den Mechanismus der photoinduzierten DNA-Strangbrüche und die Abhängigkeit von der Nukleotidsequenz genauer zu verstehen, werden die Ionisierungsspotentiale (IPs) der entsprechenden DNA-Sequenzen mittels Bestrahlung mit Synchrotronstrahlung im VUV-Bereich und Tandem-Massenspektrometrie ermittelt. Parallel hierzu werden die IPs der Oligonukleotide mit modernsten Elektronenstrukturmethoden berechnet. Zusätzlich werden die Ionisierungs-Wirkungsquerschnitte und die relative Stabilität von ionisierten DNA-Sequenzen durch First-principles-Berechnungen ermittelt. Der gemeinsame experimentelle und theoretische Ansatz wird den Einfluss sowohl der DNA-Primär- und Sekundärstruktur als auch des umgebenden Mediums auf die DNA-Anregung, Ionisierung und Zersetzung durch Strangbrüche aufzeigen. Die hierbei verwendeten innovativen Methoden und die erzielten Ergebnisse können zu einer Optimierung der Tumorstrahlentherapie beitragen und sind außerdem relevant für angrenzende Forschungsbereiche wie den DNA-Ladungstransport.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen