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

Fachliche Zuordnung Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Biophysik
Förderung Förderung von 2019 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428230890
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

DNA-Origami bietet eine einzigartige Möglichkeit für die Gestaltung nanoskopischer DNA-Überstrukturen auf der Grundlage einer vorhersehbaren Formerzeugung durch Basenpaarung. Während das Design von Formen bereits ausgiebig erforscht wurde, befasste sich unser Projekt mit den grundlegenden Fragen der makromolekularen Stabilität, vergleichbar mit eingehenden Studien zur Proteinfaltung. Wir verwendeten übliche ionische Protein-Denaturierungsmittel, nutzten aber den Vorteil der Quantifizierung der Denaturierung durch Auswertung der unter dem Rasterkraftmikroskop sichtbaren nanoskopischen Abweichungen. Durch Variation des Denaturierungsmittels und seiner Gegenanionen konnten wir das Zusammenspiel zwischen der DNA-Überstruktur (z. B. Gittertyp und Crossover-Dichte), der DNA-Origami-Form, dem primären Denaturierungsmittel und den Gegenanionen eingehend untersuchen. Die nanoskopischen Daten wurden mit Zirkulardichroismus-Spektren korreliert, d. h. mit Informationen auf molekularer Ebene über die Chiralität der DNA in temperaturabhängigen Experimenten. Wir entdeckten, dass Änderungen der Wärmekapazität bei der Denaturierung von DNA-Origamis eine entscheidende Rolle spielen und mit der lokalen Öffnung von Basenpaaren verbunden sind. Dies war zunächst unerwartet, wurde aber durch weitere gezielte Experimente untermauert. Überraschenderweise steht die Änderung der Wärmekapazität unter der Kontrolle von Anionen, die - im Gegensatz zu dem primären kationischen Denaturierungsmittel Guanidinium (Gdm) - nicht direkt mit dem gleichgeladenen DNA-Rückgrat wechselwirken können. Wir konnten durch Molekulardynamikberechnungen zeigen, dass der von den Anionen abhängige Grad der Gdm-Ionenpaarung für die Anionensensitivität der DNA-Origami-Stabilität verantwortlich ist. Unsere Studien zeigen außerdem, dass die nicht-monotone Temperaturempfindlichkeit der nanoskopischen Merkmale nicht mit dem globalen Schmelzen des DNA-Origami korreliert. Ein Grund dafür ist die form- und architekturabhängige Übertragung von thermisch oder chemisch erzeugten Spannungen innerhalb der Überstruktur auf prädisponierte Stellen, an denen sich Schäden in Form von hochgradig "lokalisiertem Schmelzen" anreichern. Konkrete Beweise wurden für DNA-Origami-Dreiecke erbracht, die in Gegenwart von GdmCl vorzugsweise an den Spitzen denaturieren. Bemerkenswerterweise tun sie dies nicht nur beim Erhitzen, sondern auch beim Abkühlen. Der letztgenannte Effekt unterstreicht die unerwartete Ähnlichkeit mit der Kältedenaturierung von Proteinen unter ähnlichen Bedingungen und ist eine direkte Folge der Änderung der Wärmekapazität bei Schädigung der DNA-Origami. Das Projekt hat also gezeigt, dass die beiden Klassen von Biopolymeren grundlegende physikalisch-chemische Eigenschaften gemeinsam haben, aber nur beim DNA-Origami eine beobachtbare Verbindung zwischen Thermodynamik und vorhersagbarer lokaler Substruktur auf der Nanoskala besteht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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