Pi-Stacking-Wechselwirkung von Nukleobasen in der DNA: Schädigung, Konformation und biologische Funktion

• Antragstellerin: Dr. Alessandra Picchiotti
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545555208

Die pi-Stacking-Wechselwirkung in der DNA ist entscheidend für biologische Funktionen. Die in der Literatur vorgeschlagenen Mechanismen zu ihrer Unterbrechung durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind aufgrund technologischer Beschränkungen in Bezug auf Raum- und Zeitauflösung sowie mangelnder Kontrolle über die DNA-Sekundärstrukturen nach wie vor unbefriedigend. Um die pi-Stacking-Wechselwirkung in der DNA, ihre chemisch-physikalische Natur und ihre live-stream-biologische Störung klarstellen, müssen wir: 1. DNA-Moleküle einfangen: DNA-Moleküle mit hoher Lokalisierungsgenauigkeit verfolgen und einfangen, und zwar in einer Umgebung, die die Überfüllung in Zellen imitiert. 2. Die zeitliche Entwicklung überwachen: Die strukturellen Veränderungen des pi-Stackings in der DNA verfolgen, während sich das Molekül entfaltet, bei den natürlichen ultraschnellen Zeitskalen (Femto- bis Picosekunden). 3. Das Pi-Stacking kontrollieren: Kontrollierte Veränderung der sekundären Struktur der DNA (Pi-Stacking) durch elektromagnetische Felder sowie molekulares Tracking von ROS-Schäden. Hier stellen wir die "Seek and Search"-Technik (S&S) vor, eine neuartige Technik, die in der Lage ist, die offenen Fragen zu beantworten und die Forschungslücken in unserem Verständnis der Pi-Stapelungsstörung in der DNA zu schließen. S&S vereint Konzepte von Nanopinzetten (Biotin-Streptavidin-Funktionalisierung des Bead-DNA-Komplexes) mit Mikrofluidik-Chips, die mit Säulen ausgestattet sind, die einen laminaren Fluss erzeugen und den bead-DNA-Komplex einfangen. Ein externes elektrisches Feld induziert den Übergang zwischen B-DNA- und S-DNA-Formen, indem es die DNA zieht. Durch Variation der Spannung wird die DNA in verschiedene Maße überdehnt, bis sie sich überdreht und die Nukleotide auseinanderzieht, während sie gleichzeitig rotiert und die pi-Stacking-Wechselwirkung in der DNA verändert/gestört wird. S&S ermöglicht ein bisher nicht gewesenes Maß an Kontrolle über die chemisch-physikalischen Wechselwirkungen mit ROS. Die zeitaufgelöste Transiente Absorptionsspektroskopie (TR) entwirrt die komplexen Steady-State-Spektren, die das pi-Stacking in der DNA überwacht. Sie erfasst einen "molekularen Film", der die strukturellen Veränderungen der pi-Stacking-Wechselwirkung verfolgt, indem sie die Variationen in der Absorption im Laufe der Zeit beobachtet. Schließlich können wir mit S&S die Störung des pi-Stackings in Echtzeit durch TR-Spektroskopie untersuchen, während die ROS-Moleküle die DNA schädigen. Wir initiieren die Schädigung durch: - direkte UV-Bestrahlung mit einer zweiten kontinuierlichen UV-Laserquelle, die die Intensitätsgrenzen für DNA-Schäden überschreitet, - chemische Reaktionen mit solvatisierten Elektronen und Superoxidanionen, die durch fokussiertes Laserlicht im Fallenbereich des S&S-Chips erzeugt werden, jedoch nicht auf dem DNA-Molekül, und - Wasserstoffperoxid durch einen speziell konzipierten zusätzlichen Mikrokanal im S&S-Chip.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen