Ultraschnelle Dynamik elektronisch angeregter DNS-Bausteine nach Femtosekundenanregung in Lösung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Aufklärung der molekularen Mechanismen, die die photophysikalischen und photochemischen Eigenschaften der DNS und ihrer Bausteine bestimmen, ist seit langem eine der wichtigsten Aufgaben der aktuellen Forschung in der photobiophysikalischen Chemie. Nachdem die Dynamik der freien, monomeren Nukleobasen zu Projektbeginn in ihren Grundzügen bekannt war, rückten die außergewöhnlichen Eigenschaften der supramolekularen Strukturmotive der DNS in den Brennpunkt. Im Projekt wurden mithilfe der Femtosekundenspektroskopie ultraschnelle elektronische Relaxationsprozesse in modifizierten Nukleobasen (N6 N6-Dimethyladenin, Hypoxanthin, Xanthin), in wasserstoffbrückengebundenen Basenpaaren (Cytidin·Cytidin, Guanosin·Guanosin, Guanosin·Cytidin in Chloroform) und in komplexen ausgedehnten Netzwerken (Cytidin bzw. Guanosin in n-Hexan), in einer Reihe von DNS-Eicosanukleotiden (dG- bzw. dC-dotierte dA- bzw. dT-Einzel- und Doppelstrang-Moleküle) und als ideale Modellverbindung für diese Oligonukleotide in einem ausgewählten Dinukleotid (Adenin-Adenin) untersucht. Im Vergleich zu Adenin hat die Substitution der beiden Amino-H-Atome durch Methyl im N6N6-Dimethyladenin drastisch veränderte photophysikalische Eigenschaften zur Folge. Nach elektronischer Anregung tritt in Konkurrenz zur subpicosekundenschnellen direkten Deaktivierung zum Grundzustand, die ähnlich wie im Adenin erfolgt, ein Übergang in einen energetisch stabilisierten intramolekularen Ladungstransferzustand ein, dessen Bildung und Lebensdauer in verschiedenen Lösungsmittel bestimmt wurde. Messungen bei verschiedenen Anregungsenergien zufolge erfolgt der Übergang in den Ladungstransferzustand ohne nennenswerte Energiebarriere. Die seltenen RNS-Basen Hypoxanthin und Xanthin zeigen ähnliches Verhalten wie Guanin. Für das Watson-Crick-Basenpaar Guanosin·Cytidin wurde eine kürzere Fluoreszenzlebensdauer als für die freien Nukleoside beobachtet, die durch einen Ladungstransfer vom Guanosin zum Cytidin erklärt werden kann. In ausgedehnten wasserstoffbrückengebundenen Netzwerken von Cytidin oder Guanosin werden durch strahlungslose Übergänge dagegen auch länger lebende nπ∗-Zustände besetzt. In den untersuchten DNS-Eicosanukleotiden wurden stark basensequenzabhängige Eigenschaften beobachtet. Die Messungen an den systematisch dG-dotierten dA-Strängen deuten auf eine schnelle Delokalisierung der UV-Anregung über bis zu 5 benachbarte Basen hin und stützen das Excitonmodell gekoppelter Elektronenzustände in der DNS. In einigen Picosekunden erfolgen anschließende strahlungslose Übergänge in Exciplex- und Ladungstransferzustände mit Lebensdauern bis ca. 100 ps. Die ablaufenden molekularen Relaxationsprozesse, die auch supramolekulare strukturelle Änderungen nach sich ziehen, konnten für das Adenin-Dinukleotid als idealem Modellsystem in bisher beispiellosem Detailreichtum verfolgt werden, wobei die erhaltenen experimentellen Resultate auch durch ab initio Rechnungen unterstützt werden konnten. Begleitet wurden die Arbeiten durch wichtige Erweiterungen des zur Verfügung stehenden Methodenarsenals um ein fs-Breitbandfluoreszenzspektrometer mit einem schnellen Kerr-Schalter und ein neues hochempfindliches fs-Breitbandabsorptionsspektrometer mit zusätzlicher Einfarbendetektion zur direkten Messung der Wiederbesetzung des Elektronengrundzustands. Insgesamt zeigte das Projekt auf, in welcher Weise die schwachen Kopplungen zwischen den benachbarten coplanar gestapelten Basen in DNS-Oligonukleotiden drastische Auswirkungen auf die elektronischen Eigenschaften zur Folge haben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Base Sequence and Higher-Order Structure Induce the Complex Excited-State Dynamics in DNA, Science 322, 243-245 (2008)
N. K. Schwalb, F. Temps
- A Modified Four-State Model for the “Dual Fluorescence” of N6,N6-Dimethyladenine Derived from Femtosecond Fluorescence Spectroscopy, J. Phys. Chem. A 113, 13113 — 13123 (2009)
N. K. Schwalb, F. Temps
- On the structure and excited electronic state lifetimes of cytidine self-assemblies with extended hydrogen-bonding networks, J. Photochem. Photobiol. A 208, 164 — 170 (2009)
N. K. Schwalb, F. Temps
- Ultrashort Fluorescence Lifetimes of Hydrogen-Bonded Base Pairs of Guanosine and Cytidine in Solution, J. Phys. Chem. B 113, 16365 — 16376 (2009)
N. K. Schwalb, T. Michalak, F. Temps
- Femtosecond Fluorescence Measurements of the Adenine Dinucleotide: Direct Observation of the Excimer State, in: Ultrafast Phenomena XVII, pp. 553 — 555, M. Chergui, D. M. Jonas, E. Riedle, R. W. Schoenlein, A. J. Taylor (Eds.), Oxford University Press, Oxford, 2011
M. C. Stuhldreier, C. Schüler, J. Kleber, F. Temps
- Pump-Probe Spectroscopy of Ultrafast Vibronic Dynamics in Organic Chromophores, in: Conical Intersections: Theory, Computation and Experiment, pp. 669 — 714, W. Domcke, D. R. Yarkony, H. Köppel (Eds.), World Scientific, Singapore, 2011
N. K. Schwalb, R. Siewertsen, F. Renth, F. Temps
