Erbgut durch Licht steuerbar?

Forscher der Uni Kiel ermitteln charakteristische sequenzabhängige Lichtempfindlichkeiten der DNA.
Die hohe Fotostabilität der DNA, des Erbgutträgers aller Lebewesen, gibt bei Bestrahlung mit UV-Licht viele Rätsel auf. Dabei kommt es entscheidend auf das Zusammenspiel der vier Basen an, aus denen die DNA-Moleküle bestehen. Forscher der Kieler Universität konnten für DNA-Stränge je nach ihrer Basensequenz unterschiedliche Lichtempfindlichkeiten nachweisen. Die Erstautorin Nina Schwalb stellt diese Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Science“ vor, die am 10. Oktober erschien.

Nina Schwalb bei der Justierung des Femtosekundenlaserspektroskops. (Foto: J. Haacks, Copyright: CAU)

Seit einigen Jahren ist bekannt, dass die einzelnen Basen, die die Erbinformation in der DNA kodieren, hohe Photostabilitäten aufweisen, da sie die Energie, die sie durch UV-Strahlung aufnehmen, gleich wieder abgeben. Merkwürdigerweise funktionieren diese Mechanismen in DNA, die aus vielen Basen besteht, jedoch nicht oder nur eingeschränkt. Die Deaktivierung der UV-angeregten DNA-Moleküle muss stattdessen auf ganz anderen, bisher unverstandenen, spezifischen Wegen erfolgen. Durch vielfältige Messungen an DNA-Molekülen mit verschiedenen Reihenfolgen ihrer Basen konnte die Forschergruppe um Prof. Friedrich Temps vom Institut für Physikalische Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel diese Annahme nun konkretisieren.

„Die DNA erreicht ihre hohe Photostabilität erst durch die komplexe Doppelhelix-Struktur. Dabei spielen die systemischen gegenseitigen Beeinflussungen der übereinander ,gestapelten’ Basen innerhalb eines DNA-Stranges und die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den beiden komplementären Einzelsträngen, in den Basenpaaren der Doppelhelix, wichtige Rollen. Durch die verschiedenen Wechselwirkungen, die wir beobachtet haben, wird die DNA gewissermaßen zu ihrer eigenen Sonnenschutzcreme“, so Temps.

Nina Schwalb testete zahlreiche unterschiedliche Basen-Kombinationen in künstlichen DNA-Molekülen. Mittels eines Femtosekundenlaserspektroskops ermittelte sie die jeweils charakteristische Energieabgabe. Sie konnte messen, wie lange die Moleküle fluoreszierten, also das Licht speicherten. Für bestimmte Basen-Kombinationen beobachtete sie „Lebenszeiten“ von nur einhundert Femtosekunden, für andere dagegen tausendmal längere Werte. Eine Femtosekunde entspricht einem Millionstel einer Milliardstel-Sekunde.

Nina Schwalb zu den Schlussfolgerungen ihrer Erkenntnisse: „Wir haben die photophysikalischen Eigenschaften untersucht und für unterschiedliche Basen-Kombinationen ganz unterschiedliche Fluoreszenzwerte gefunden. Es scheint mir nicht ausgeschlossen, daraus ein neues diagnostisches Verfahren zu entwickeln, das die direkte Erkennung bestimmter Gensequenzen mit Laserlicht erlaubt, ohne dass man die DNA zum Beispiel wie heute üblich mit Farbstoffen markieren muss.“
Auch eine Verknüpfung der photophysikalischen Werte mit Erbmerkmalen ist denkbar. Versteht man diese Mechanismen besser, scheint es auf lange Sicht vorstellbar, durch Laserstrahlen Genmutationen reparieren zu können.

„Bereits heute ist in der Nanoelektronik bekannt, dass sich künstlich hergestellte DNA als ,Nano-Draht’ verwenden lässt. Durch die unterschiedlichen Reaktionszeiten der Moleküle wird man möglicherweise irgendwann die betreffenden Moleküle mit Laserpulsen ,schalten’ können. Über die Wasserstoffbrücken ließen sich unter Umständen sogar Transistoren aus DNA realisieren“, erläutert Prof. Temps.

Die Arbeit von Nina Schwalb wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projektes „Ultraschnelle Fotodynamik von DNA“ unterstützt.

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