Die DNA ist von Wassermolekülen auf eine ganz besondere Art umgeben. Die Beschaffenheit dieser so genannten Hydrathülle hängt einerseits vom Wassergehalt ab und beeinflusst andererseits die Struktur der Erbsubstanz selbst. Dies haben jetzt Wissenschaftler in einer neuen Studie herausgefunden, über die sie in der Fachzeitschrift „Journal of the American Chemical Society“ berichten.
Danach sind diese Erkenntnisse nicht nur wichtig für das Verständnis der biologischen Funktion der DNA, sondern könnten auch für die Konstruktion von neuen DNA-basierten Materialien genutzt werden.
DNA hält nicht alle Wassermoleküle gleich fest
Die Doppelhelix der DNA liegt niemals isoliert vor, sondern ihre gesamte Oberfläche ist stets von Wassermolekülen bedeckt, die sich über Wasserstoffbrückenbindungen anheften. Doch die DNA hält nicht alle Moleküle gleich fest. „Wir haben nachgewiesen, dass ein Teil des Wassers stärker gebunden ist, andere Moleküle hingegen schwächer“, so Karim Fahmy vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
Dies gilt jedoch nur, solange der Wassergehalt niedrig ist. Wächst die Wasserhülle an, nivellieren sich die Unterschiede, und alle Wasserstoffbrückenbindungen sind gleich fest. Damit einhergehend verändert sich die Geometrie des DNA-Strangs: Das Rückgrat der Doppelhelix, das aus Zucker- und Phosphatgruppen besteht, verbiegt sich ein wenig. „Die exakte Struktur der DNA ist abhängig von der Menge an Wasser, die das Molekül umgibt“, fasst Fahmy zusammen.
DNA aus Lachshoden
Die Untersuchungen an der Erbsubstanz führte Hassan Khesbak am HZDR durch. Die aus Lachshoden stammende DNA wurde zunächst in dünnen Filmen präpariert und dann innerhalb von Sekunden mit feinst dosiertem Wasser benetzt. Mittels Infrarot-Spektroskopie konnte Khesbak in dieser Anordnung die unterschiedlich starken Wasserstoffbrückenbindungen und die unterschiedliche Verweildauer der Wassermoleküle in der Wasserhülle nachweisen.
Licht bringt Verknüpfungen ins Schwingen
Denn die Verknüpfungen zwischen Doppelhelix und Wasserhülle lassen sich mit infrarotem Licht zum Schwingen anregen. Je höher die Frequenz der Schwingung, desto lockerer ist die Wasserstoffbrückenbindung. Es zeigte sich den Forschern zufolge, dass die Zuckerbaugruppen und die Basenpaare besonders feste Bindungen zur Wasserhülle aufbauen, während die Verknüpfungen zwischen Wasser und Phosphatgruppen schwächer sind.
„Wir haben es bei der DNA also mit einem responsiven Material zu tun“, erläutert Fahmy. „Darunter verstehen wir Materialien, die dynamisch auf sich variierende Bedingungen reagieren. Bei höherem Wassergehalt verändert sich die Struktur der Doppelhelix, die Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen und auch das Volumen der DNA.“
DNA-Nanotechnologie boomt
Schon jetzt ist die Erbsubstanz ein äußerst vielseitiges und interessantes Molekül für die sogenannte DNA-Nanotechnologie. Denn mit DNA lassen sich hoch geordnete Strukturen mit neuen optischen, elektronischen und mechanischen Eigenschaften in winzigen Dimensionen realisieren, für die man sich auch am HZDR interessiert.
Die gebundene Wasserhülle ist nicht nur ein fester Teil solcher Strukturen. Sie kann auch eine präzise Schaltfunktion übernehmen, da die Befunde zeigen, dass ein Wachstum der Hülle um nur zwei Wassermoleküle pro Phosphatgruppe ein schlagartiges „Umklappen“ der DNA-Struktur bewirken kann. Solche wasserabhängigen Schaltprozesse könnten beispielsweise die Freisetzung von Wirkstoffen aus DNA-basierten Materialien steuern.
Wasserhülle wichtig für biologische Funktion der DNA
Es verwundert nach Ansicht der Wissenschaftler nicht, dass die Wasserhülle der Erbsubstanz auch für die natürliche biologische Funktion der DNA von Bedeutung ist. Denn jedes Biomolekül, das an die DNA bindet, muss dabei zunächst die Wasserhülle verdrängen.
Diesen Vorgang haben die Dresdner Forscher aktuell für das Peptid Indolicidin untersucht. Der antimikrobielle Eiweißstoff ist selbst wenig strukturiert und sehr flexibel. Dass er dennoch passgenau die Doppelhelix „erkennt“, liegt an der Freisetzung der hoch geordneten Wassermoleküle, wenn er sich mit der Erbsubstanz verbindet. Die in diesem Fall energetisch günstige Umstrukturierung der Wasserhülle erhöht die Anbindung des Wirkstoffs.
Für die Entwicklung von DNA-bindenden Arzneimitteln, beispielsweise in der Krebstherapie, sind solche Details den Wissenschaftlern zufolge wichtig und können mit der am HZDR entwickelten Methodik erfasst werden. (Journal of the American Chemical Society, 2011; doi:10.1021/ja108863v)
(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 19.04.2011 – DLO)
