Zusammenfassung:
Nach den Grundgesetzen der Physik sollten sich Objekte mit gleicher elektrischer Ladung gegenseitig abstoßen. Da das Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Molekül selbst im Allgemeinen eine negative Ladung trägt, erzeugen zwei DNA-Doppelhelixstränge normalerweise eine starke elektrostatische Abstoßung, wenn sie sich einander nähern. Allerdings müssen DNA-Moleküle in lebenden Zellen häufig einen engen Kontakt und eine präzise Paarung erreichen, um grundlegende Lebensprozesse wie die Rekombination von Genen und die Stummschaltung von Genen voranzutreiben.
Ein internationales Forschungsteam unter gemeinsamer Leitung der University of York und der University of Sheffield im Vereinigten Königreich nutzte kürzlich hochauflösende Rasterkraftmikroskopie und Molekulardynamiksimulationen, um erstmals den mikrophysikalischen Mechanismus, durch den DNA-Moleküle die elektrostatische Abstoßung überwinden und wie ein „Reißverschluss“ fest zubeißen, direkt zu beobachten und aufzudecken.
Diese experimentelle Entdeckung liefert den ersten direkten visuellen Beweis für die Mikrostruktur des vor etwa 20 Jahren vorgeschlagenen „elektrostatischen DNA-Reißverschluss-Modells“. Frühere theoretische Hypothesen deuteten darauf hin, dass Salzionen in der die DNA umgebenden Lösung die Bildung eines abwechselnden Musters positiver und negativer Ladungen auf der Oberfläche der Helix induzieren könnten, wodurch zwei parallele DNA-Moleküle wie zwei ineinandergreifende Wendeltreppen eng miteinander verbunden würden. Aufgrund der extrem schwachen Kräfte auf molekularer Ebene und der schnellen dynamischen Veränderungen blieb diese Hypothese jedoch immer im Stadium der theoretischen Ableitung und wurde nicht direkt durch experimentelle Bildgebung verifiziert.
In dieser Studie führte das wissenschaftliche Forschungsteam mit einem hochpräzisen Rasterkraftmikroskop ein feines Oberflächenscannen im Nanomaßstab an kurzsträngigen DNA-Proben durch und beobachtete deutlich die hochpräzise Ausrichtung der Furchen der beiden DNA-Stränge. Gleichzeitige Simulationen der Molekulardynamik am Computer im großen Maßstab enthüllten die treibende Kraft dahinter: Winzige Metallionen mit doppelter positiver Ladung (z. B. zweiwertige Kationen) spielen eine entscheidende Rolle als „molekulare Brücke“ in der Lösung. Diese positiv geladenen Ionen können präzise in die helikalen Rillen der DNA eingefügt werden, wodurch eine Wechselwirkungskraft wie geladene Arme entsteht und gleichzeitig zwei negativ geladene DNA-Moleküle angezogen werden, wodurch die elektrostatische Abstoßungsbarriere, die ihre Annäherung ursprünglich verhinderte, vollständig aufgehoben und überwunden wird.
Die Studie wies außerdem darauf hin, dass die Paarungsstärke zwischen DNA-Strängen nicht gleichmäßig verteilt ist, sondern eine erhebliche Abhängigkeit von der Basensequenz aufweist. Bestimmte DNA-Sequenzen haben eine stärkere Fähigkeit, sich an Metallionen zu binden und eine Reihe von „Paarungs-Hotspots“ im Genom zu bilden, die anfällig für physikalische Ausrichtung und feste Bindung sind.
Wissenschaftler sagten, dass die Aufklärung dieses mikroskopischen Mechanismus eine doppelte richtungsweisende Bedeutung für die Grundlagenmedizin und die Biotechnik habe. Auf der Ebene der Krankheitsmechanismen kann die Identifizierung von DNA-Paarungs-Hotspots im Genom den Forschern helfen zu verstehen, wie bestimmte Mutationen, die den normalen Chromatinaufbau oder die Rekombinationspaarung stören, zelluläre Anomalien verursachen und sogar Krebs auslösen können; Auf biotechnologischer Ebene wird die Beherrschung der physikalischen Gesetze der DNA-Selbstorganisation mithilfe von Ionenbrücken Nanoingenieuren neue Designrichtlinien für die individuelle Anpassung hochfester, programmierbarer künstlicher DNA-Nanostrukturen und Träger für die Arzneimittelabgabe liefern.
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