"Eine Streckbank für das DNA-Knäuel" – Erbmolekül ist lang gestreckt experimentell besser zugänglich

Die DNA als Knäuel: Zwar ist das Erbmolekül bekanntermaßen als Doppelhelix oder eine Art gewendelte Strickleiter aufgebaut. Unter normalen Umständen ist diese Struktur aber noch sehr viel stärker aufgewickelt. In lebenden Zellen bietet das den Vorteil, dass die um ein Vielfaches längere DNA in den Zellkern passt. Bei Experimenten und anderen Anwendungen aber ergibt sich die Schwierigkeit, das so stark aufgedrehte DNA-Molekül zugänglich zu machen. Der Doktorandin Marion Hochrein am Lehrstuhl für Experimentalphysik von Professor Dr. Joachim Rädler an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München gelang nun, DNA mit vergleichsweise geringem Aufwand auszustrecken. Wie die beiden Forscher und weitere beteiligte Kollegen in der Online-Ausgabe von „Physical Review Letters“ schreiben, verlieren die Nukleinsäuremoleküle ihre Knäuelstruktur, wenn sie auf bestimmte Membranen mit Oberflächen mit periodisch angeordneten, parallelen Gräben aufgebracht werden. „Die Ausrichtung der langen DNA ist für viele biotechnologische Anwendungen, etwa das optische Sequenzieren, eine Notwendigkeit“, berichtet Hochrein. „Zum anderen ist die ausgestreckte DNA für die Polymerphysik interessant, die das Verhalten des DNA-Moleküls analysiert.“

Vor allem wenn die Interaktion von DNA mit anderen Biomolekülen untersucht werden soll, muss das Molekül ausgestreckt werden, um überhaupt zugänglich zu sein. Hochrein und ihre Kollegen nutzten dafür Membranen aus Lipiden, also wasserunlöslichen Molekülen, zu denen unter anderem Fette und Fettsäuren gehören. Die Membranen dürfen keine glatte Oberfläche zeigen, sondern müssen langgestreckte regelmäßige „Furchen“ und Erhebungen bilden. In eine „Ecke“ dieser Vertiefungen nun legen sich die aufgewickelten DNA-Fäden, strecken sich aus und sind aufgrund der regelmäßigen Anordnung der Furchen, in denen sie sich befinden, dann auch gleichmäßig ausgerichtet. Diese Wirkung ist auf die Ladungen der DNA und der Membran zurückzuführen. Die DNA ist ein großes, negativ geladenes Biomolekül. Der konkav gekrümmte Bereich der Furchen, an den die DNA anliegt, erlaubt besonders viel Kontakt zwischen den negativ geladenen DNA-Molekülen und den positiv geladenen Lipiden. Das könnte auch erklären, warum sich die DNA-Moleküle in den am stärksten gekrümmten Bereichen der Vertiefungen und nicht etwa auf den benachbarten Erhebungen ausrichten.

Die bis dahin eingesetzten Methoden zur Ausrichtung von DNA waren sehr viel komplizierter in der Anwendung. „Unser Ansatz dagegen bietet ganz andere Möglichkeiten, die Form von DNA zu kontrollieren“, so Hochrein. „Es können jetzt nämlich sehr einfach große DNA-Mengen auf die entsprechenden Membranen aufgebracht werden, wo sie sich dann ausrichten und ausstrecken. So sind sie frei zugänglich für das umgebende wässrige Medium und darin gelöste Moleküle. Das System erleichtert deshalb umfangreiche Experimente und auch die Analyse fundamentaler biologischer Prozesse, die mit DNA und anderen Biomolekülen zu tun haben.“ Die DNA kann noch zusätzlich manipuliert werden, indem elektrische Felder angelegt oder Proteine in die Membran eingebracht werden. Das neue System und die vielfältigen damit verbundenen Möglichkeiten werden, so vermuten die Forscher, für sehr viele Biophysiker von Interesse sein.

Publikation:

„DNA Localization and Coil Stretching on Periodically Micro-structured Lipid Membranes“, Marion B. Hochrein, Judith A. Leierseder, Leonardo Golubovic, and Joachim O. Rädler, Phys. Rev. Lett., 2006, online, Publikation in Print folgt

Ansprechpartner:

Dr. Marion Hochrein
Lehrstuhl für Experimentalphysik, Physik weicher Materie und Biophysik von Prof. Dr. Joachim Rädler
Tel.: 089-2180-2704
Fax: 089-2180-3182
E-Mail: Marion.Hochrein@physik.uni-muenchen.de