Molekulare Mechanismen der Interaktion chaotroper Salze mit natürlichen und künstlichen DNA-Strukturen

• Antragsteller: Professor Karim Fahmy, Ph.D.; Privatdozent Dr. Adrian Keller
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428230890

Aufgrund ihrer großen Vielseitigkeit, welche die selektive Immobilisierung von Biomolekülen mit Nanometer-Präzision ermöglicht, werden DNA-Origami-Nanostrukturen zunehmend als Substraten in Einzelmoleküluntersuchungen biochemischer und biophysikalischer Prozesse eingesetzt. Hierbei dienen DNA-Origami-Substrate nicht nur der hochgenauen Positionierung, sondern wegen ihrer vergleichsweise hohen mechanischen Steifigkeit auch der Minimierung thermischer Fluktuationen. Die strukturellen Eigenschaften und insbesondere die Stabilität der DNA-Origami-Substrate sind deshalb zu Schlüsselfragen bei der Durchführung solcher Einzelmolekülstudien geworden.In diesem Projekt wird die Interaktion chaotroper Verbindungen mit verschiedenen DNA-Strukturen auf molekularem Niveau untersucht werden. Während chaotrope Verbindungen wie Guanidinium (Gdm+) oder Tetrapropylammonium (TPA+) -Salze als Proteindenaturierungsmittel etabliert sind und häufig in Proteinfaltungsstudien eingesetzt werden, ist nur wenig über ihre Interaktion mit DNA bekannt. Die Aufklärung der Mechanismen ihres Angriffs auf DNA stellt somit einen wichtigen Schritt hin zu DNA-Origami-basierten Einzelmoleküluntersuchungen der Proteinfaltungs- und -entfaltungsdynamik dar. Das molekulare Verständnis der bei der chaotropen DNA-Origami-Denaturierung involvierten Prozesse wird jedoch durch die verschiedenen natürlichen und nicht-natürlichen DNA-Strukturen erschwert, die in einem einzelnen DNA-Origami auftreten. Das Ziel dieses Projekts ist deshalb die Aufklärung der Mechanismen der Chaotrop-DNA-Interaktionen mit Fokus auf der Rolle der DNA-Struktur. Dies wird durch den Einsatz natürlicher DNA-Stränge mit verschiedenen Sequenzen, einfachen künstlichen DNA-Nanostrukturen und komplexen 2D und 3D DNA-Origamis erreicht werden. Letzteres ermöglicht die gezielte Erzeugung über- und unterspiralisierter DNA-Strukturen. Änderungen in der Gesamtmorphologie der DNA-Origami-Nanostrukturen und insbesondere DNA-Origami-Denaturierung werden mittels Rasterkraftmikroskopie verfolgt werden, während optische Spektroskopie detaillierte Informationen zur molekularen Interaktion der chaotropen Salze mit den DNA-Helices liefern wird. Mit diesem experimentellen Ansatz werden Gegenioneneffekte bei der Interaktion von Gdm+ und TPA+ mit DNA untersucht werden, welche bekanntermaßen wichtige Rollen in der Proteindenaturierung spielen. Weiterhin wird auch der Effekt hydratisierter Kationen adressiert werden, um die molekularen Mechanismen der aussalzungsinduzierten DNA-Denaturierung zu beleuchten.Die experimentellen Ergebnisse dieses Projekts werden somit eine solide Grundlage liefern, auf der ein molekulares Verständnis der Interaktion chaotroper Verbindungen wie Gdm+ und TPA+ mit Nukleinsäuren entwickelt werden kann. Durch den Vergleich genomischer DNA mit künstlichen DNA-Nanostrukturen werden zusätzlich auch die bisher nur unzureichend untersuchten chemischen Besonderheiten nicht-natürlicher DNA-Strukturen beleuchtet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen