Abhängigkeit der Leitfähigkeit von DNA von der Hydration

Im Rahmen der Untersuchung der Anwendbarkeit der DNA-Leitfähigkeit zur Strahlendetektion wurden Experimente mit DNA Origamis und frei hängenden Strukturen durchgeführt. Ein Faktor, der die Leitfähigkeit der DNA Moleküle maßgeblich beeinflussen kann, ist die Hydration der DNA.

In Abhängigkeit von ihrer Umgebung kann DNA verschiedene Primär- und Sekundärstrukturen annehmen. In wässriger Lösung ordnet sich diese in der B-Helix Struktur an [1]. Für diese wurden in diversen Experimenten leitende bis halbleitende Eigenschaften festgestellt. Hier sind die aromatischen Ringe der Basen übereinandergestapelt, wodurch ein Ladungstransport über diese ermöglicht wird [2]. Abweichungen von dieser gestapelten Form führen zu weniger effektivem Ladungstransport. Dieser Effekt wurde in Simulationsrechnungen bereits nachvollzogen [3].

Ist eine DNA Helix von weiteren Strängen umgeben, kann dies die Stabilität der Struktur bei verringerter Hydration erhöhen. Ein solcher Fall ist z.B. bei DNA Origamis gegeben, bei welchen die DNA Stränge parallel angeordnet werden können. Ob und unter welchen Bedingungen dieser Effekt auftritt, wurde mittels Molekulardynamikrechnungen untersucht. Hierzu werden mehrere Anordnungen von parallelen DNA Helizes in verschiedenen Hydrationsgraden zunächst in ionischer Lösung simuliert. Anschließend wird nur eine bestimmte Anzahl von Wassermolekülen pro Base in der Simulation zugelassen. Diese Anzahl kann einer Raumluftfeuchte zugeordnet werden [4]. Aus den errechneten Trajektorien können geometrische Parameter der Helizes bestimmt und verglichen werden.

Abb. 1: Geometrische Parameter für die DNA Helix

Von besonderem Interesse sind die in der Abbildung 1 aufgezeigten Parameter. Diese beschreiben die Stapelung der Basenpaare übereinander und sind daher für den Ladungstransport ausschlaggebend.

Abb. 2: Ergebnisse aus Simulationsrechnungen für eine einzelne DNA Doppelhelix (rot) und eine von acht weiteren Helizes umgebene Helix (blau) zu verschiedenen Hydrationsgraden. Rechts unten sind die Anordnungen der DNA Stränge der beiden Simulationen schematisch dargestellt. Die geplotteten Intervalle entsprechen den Standardabweichungen der berechneten Verteilungen.

Die aus den Simulationen entnommenen Daten für eine einzelne Doppelhelix und ein vollständig von anderen DNA Strängen umgebenes Molekül sind in der Abbildung 2 dargestellt. Auffällig ist vor allem, dass die Werte für die von DNA umgebene Doppelhelix viel weniger streuen, die Struktur also stabiler ist.

Abb. 3: Ausschnitte aus einer Molekulardynamikrechnung für eine einzelne DNA Helix (a) und einen von weiteren DNA Molekülen umgebenen Strang (b), beide bei einem Hydrationsgrad von 12 Wassermolekülen pro Base (entspricht ca. 82% RF).

Abbildung 3 zeigt zudem Ausschnitte aus diesen Rechnungen. Hier ist gut zu erkennen, dass vor allem der Adenin/Thymin-reiche Abschnitt sehr instabil wird und sich die Helix, wie in der Abbildung 3 dargestellt, sogar komplett abwickeln kann. Dies kann dadurch erklärt werden, dass A-T Basenpaare über zwei Wasserstoffbrücken zusammenhalten werden, während C-G Basenpaare drei Wasserstoffbrücken aufweisen (siehe Abb. 3c). Die bisherigen Ergebnisse zeigen bereits, dass DNA im Verbund deutlich stabiler ist als einzelne Doppelstränge.

Literatur

(1)   J. D. Watson, F. H. C. Crick: The Structure of DNA; Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. (1953)

(2)   E. M. Boon, J. K. Barton: Charge transport in DNA; Curr. Opin. Struct. Biol. (2002)

(3)   M. Wolter, M. Elstner, T. Kuba: Charge transport in desolvated DNA; J. Chem. Phys. (2013)

(4)   M. Falk, K. A. Hartman, Jr., R. C. Lord: Hydration of Deoxyribonucleic Acid. I. a Gravimetric Study; J. Am. Chem. Soc. (1962)