Verdrehte DNA mit einer Prise Salz

In einer Zusammenarbeit mit der Gruppe von Nadine Schwierz am Max Planck Institut für Biophysik wurden die Ergebnisse mit ausführlichen Molekulardynamik-Simulationen verglichen. Dies erlaubt es dem Team, Simulationsparameter zu verbessern und ein genaueres Verständnis der DNA Struktur zu erlangen.

DNA speichert unsere genetische Information und wird in einer Vielzahl von biotechnologischen Anwendungen eingesetzt. Eine der bekanntesten Eigenschaften der DNA ist ihre von Watson und Crick entdeckte Doppelhelixstruktur. Die Struktur der DNA hängt jedoch von ihrer Umgebung ab. Da das Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA stark negativ geladen ist, beeinflussen die Konzentration und die Identität von positiv geladenen Ionen, die die DNA umgeben, deren Eigenschaften.

Eine ForscherInnengruppe unter der Leitung von Postdoktorand Willem Vanderlinden und Professor Jan Lipfert hat mit Hilfe von magnetischen Pinzetten, einer sehr empfindlichen Einzelmolekültechnik, die Verdrehung der DNA in Abhängigkeit der ionischen Bedingungen bestimmt. Die Forscherinnen und Forscher untersuchten systematisch die Ionen der Alkali- und Erdalkalimetalle, also die erste und zweite Spalte des Periodensystems. Sie fanden heraus, dass die Verdrehung der DNA mit zunehmender Ionenkonzentration zunimmt, was mit der Skalierung übereinstimmt, wie sie von der klassischen Debye-Hückel-Elektrostatik-Theorie vorhergesagt wird.

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Die Daten zeigten jedoch auch einen wichtigen Einfluss der Ionenart. So verdreht Li+ die DNA stärker als Na+ (Kochsalz) oder K+ (das dominierende Ion in der Zelle). Um diese Trends zu erklären, haben sich die Forscherinnen und Forscher mit Sergio Cruz-León und Nadine Schwierz vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt zusammengetan. Anhand umfangreicher Molekulardynamik-Simulationen konnte gezeigt werden, wie verschiedene Ionen unterschiedlich mit DNA interagieren und wie neben Elektrostatik chemische Wechselwirkungen der Ionen eine wichtige Rolle spielen.

Der direkte und quantitative Vergleich zwischen Simulation und Experimenten zeigt Stärken, aber auch Grenzen der derzeitigen Simulationsparameter auf und gibt Hinweise, wie diese verbessert werden können. Ein genaues und quantitatives Wissen darüber, wie die DNA-Struktur von ihrer Umgebung abhängt, wird dazu beitragen, ihre biologische Rolle besser zu verstehen und das Design von DNA-basierten Nanostrukturen zu verbessern.

Veröffentlichung

Sergio Cruz-León†, Willem Vanderlinden†, Peter Müller, Tobias Forster, Georgina Staudt, Yi-Yun Lin, Jan Lipfert*, and Nadine Schwierz*
Twisting DNA by Salt Nucleic Acids Res. (2022)
https://doi.org/10.1093/nar/gkac445
(†Authors contributed equally; *Joint corresponding authorship)