Infrarotexperimente im Ultrakurzzeitbereich zeigen, dass die ersten beiden Wasserschichten um die DNA-Doppelhelix auf einer Zeitskala von weniger als 10(hoch)-12 Sekunden fluktuieren und die Schwingungen der Helixstränge direkt beeinflussen. Dabei bleiben die räumliche Verteilung der Wassermoleküle und ihre Wasserstoffbrücken zur DNA erhalten.
Das komplexe Zusammenspiel von elektrischen Kräften zwischen einer molekularen Oberfläche und ihrer unmittelbaren Umgebung ist für die Struktur und Funktion von biologischen Makromolekülen und Grenzflächen entscheidend. Wasser als elektrischer Dipol und natürliches biologisches Medium nimmt hierbei eine besonders wichtige Rolle ein. Elektrische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken zwischen den polaren und geladenen Strukturelementen an der Oberfläche der DNA und den ersten Schichten des umgebenen Wassers bestimmen die Struktur der Doppelhelix. Die Abstände zwischen den molekularen Einheiten betragen nur Bruchteile eines Nanometers, das gesamte System fluktuiert auf einer Zeitskala, die kürzer als 10-12 Sekunden ist. Eine Beobachtung dieses Geschehens erfordert molekulare Sonden an der Grenzfläche zwischen DNA und Wasser sowie Messmethoden, die ultraschnelle Fluktuationen sichtbar machen können.
Die Dynamik von Wasser an der Grenzfläche zur DNA | Bild: MBI
Wissenschaftler des Max-Born-Instituts haben jetzt erstmals molekulare Schwingungen des DNA-Rückgrats als Sonden eingesetzt um strukturelle Fluktuationen an der DNA-Oberfläche direkt sichtbar zu machen. Hierzu setzten sie die sog. zweidimensionale Infrarotspektroskopie im Femtosekundenbereich ein, mit der sich Veränderungen der Schwingungsabsorption durch fluktuierende Kräfte verfolgen lassen. Dabei bleibt die natürliche Struktur der DNA-Wasser Grenzfläche erhalten, die Methode ist nicht-invasiv.
Die umfangreichen Ergebnisse zeigen, dass Fluktuationen auf einer typischen Zeitskala von 300 fs auftreten. Durch Messungen bei unterschiedlichem Wassergehalt konnten die Beiträge der DNA-Helix und der Wasserhülle hierzu getrennt und quantitativ bestimmt werden. Es zeigt sich, dass schnelle Bewegungen von Wassermolekülen einen wesentlichen Teil der Fluktuationen verursachen. Dabei werden aber Wasserstoffbrücken mit der DNA nicht gebrochen, vielmehr bleibt ihre grundlegende Anordnung an der DNA-Oberfläche für längere Zeiten erhalten. Auch ein Austausch von Molekülen in äußere Wasserschichten findet in diesem Zeitbereich nicht statt. Dieses Verhalten steht in starkem Gegensatz zum reinen Wasser, wo Wasserstoffbrücken in schnellem Takt gebrochen und neu gebildet werden.
Eine theoretische Analyse der Daten erlaubt die quantitative Erfassung der fluktuierenden Wechselwirkungen und damit einen direkten Vergleich mit Ergebnissen molekulardynamischer Simulationen. Derartige Vergleiche zwischen Experiment und Theorie sind entscheidend für das Verständnis der Wechselwirkungen, die biologische Funktionen auf molekularer Ebene bestimmen.
Publikation
B. Guchhait, Y. Liu, T. Siebert, T. Elsaesser.
Ultrafast vibrational dynamics of the DNA backbone at different hydration levels mapped by two-dimensional infrared spectroscopy.
Structural Dynamics 3. 043202/1-15 (2016).
T. Siebert, B. Guchhait, Y. Liu, R. Costard, T. Elsaesser.
Anharmonic backbone vibrations in ultrafast processes at the DNA-water interface.
J. Phys. Chem. B 119. 9670-9677 (2015).
Kontakt
Dr. Thorsten Siebert
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
