Wechselwirkung von Vakuum-UV-Strahlung (6 - 12 eV) mit komplexen DNA-Strukturen
Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Wechselwirkung von UV-Licht mit DNA ist im Hinblick auf den niedrigsten elektronischen π-π*-Übergang der Nukleobasen bei etwa 4.7 eV (260 nm), der zu DNA-Schäden wie Pyrimidin-Dimeren führen kann, sehr gut erforscht. Andere Formen schwerer DNA- Strahlungsschäden wie Strangbrüche werden typischerweise mit der Ionisierung der DNA bei höheren Energien (8 - 10 eV) in Verbindung gebracht, obwohl Einzelstrangbrüche bereits unterhalb der Ionisierungsschwelle beobachtet wurden. Das Ziel des vorliegenden Projekts war es, die elektronischen Eigenschaften wohldefinierter DNA-Sequenzen in einem gemeinsamen experimentellen und theoretischen Ansatz zu erforschen. Mit Hilfe der DNA- Origami-Technologie haben wir die absoluten Wirkungsquerschnitte von VUV-Photoneninduzierten Einzelstrangbrüchen verschiedener DNA-Sequenzen (wie 5'-d(T12), 5'-d(A12), 5'- d(G12), 5'-d(C12)) bei einer Photonenenergie von 8.44 eV (entsprechend dem Ionisationspotential der Adenin-Nukleobase) am Synchrotron SOLEIL bestimmt. Die Werte sind etwa zwei Größenordnungen kleiner als die Werte, die bei Elektronenbestrahlung in einem ähnlichen Energiebereich ermittelt wurden, der Prozess besitzt aber ein hohe Quantenausbeute. Zusätzlich zu den Homonukleotidsequenzen haben wir auch Sequenzen untersucht, die Radiosensibilisatoren wie 5-Bromouracil und 8-Bromadenin enthalten. Solche Radiosensibilisatoren werden für die Strahlentherapie von Krebs entwickelt, und im Rahmen des vorliegenden Projekts konnten wir wichtige mechanistische Erkenntnisse über ihre photosensibilisierenden Eigenschaften und die entsprechenden Strangbruchmechanismen gewinnen. Da der Strangbruch höchstwahrscheinlich mit der Ionisierung der DNA zusammenhängt, haben wir auch einen neuen Ansatz zur Bestimmung des Ionisierungspotenzials verschiedener DNA-Sequenzen verwendet. Dazu haben wir Oligonukleotid-Ionen in einer Ionenfalle eingefangen und mit Photonen unterschiedlicher Energie unterhalb und oberhalb der entsprechenden Ionisierungsenergie bestrahlt. Durch die Aufnahme von Tandem-Massenspektren konnten wir das Ionisierungspotenzial von wohldefinierten geladenen Oligonukleotidsequenzen bestimmen. Auch diese Experimente wurden am Synchrotron SOLEIL durchgeführt. Die erhaltenen Werte wurden mit den mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) ermittelten Ionisierungspotentialen verglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Long-Range Corrected DFT MeetsGW: Vibrationally Resolved Photoelectron Spectra from First Principles. Journal of Chemical Theory and Computation 11 2015, 5391-5400
L. Gallandi and T. Körzdörfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5b00820) - Accurate Ionization Potentials and Electron Affinities of Acceptor Molecules II: Non-Empirically Tuned Long-Range Corrected Hybrid Functionals. Journal of Chemical Theory and Computation 12 2016, 605-614
L. Gallandi, N. Marom, P. Rinke, and T. Körzdörfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5b00873) - 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) - SOLEIL Highlights (Annual Report) 2019: Vacuum-UV and Low-Energy Electron-Induced DNA Strand Breaks monitored using DNA origami pp. 48-49
Stefanie Vogel, Kenny Ebel, Robin M. Schürmann, Christian Heck, Till Meiling, Aleksandar R. Milosavljevic, Alexan Giuliani, Ilko Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cphc.201801152) - Vacuum-UV and Low-Energy Electron Induced DNA Strand Breaks – Influence of the DNA Sequence and Substrate. ChemPhysChem 2019, 20, 823-830
S. Vogel, K. Ebel, R. Schürmann, C. Heck, T. Meiling, A. Milosavljević, A. Giuliani, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cphc.201801152) - Vacuum-UV induced DNA strand breaks - influence of the radiosensitizers 5- bromouracil and 8-bromoadenine. Phys. Chem. Chem. Phys., 2019, 21, 1972
S. Vogel, K. Ebel, C. Heck, R. Schürmann, A. Milosavljević, A. Giuliani, I. Bald
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C8CP06813E)
