Entmystifizierung der DNA-Hybridisierungskinetik
Nanowissenschaftler und theoretische Physiker am EMBL Australia Node in Single Molecule Science der UNSW Medicine & Health haben sich zusammengetan, um die komplizierten Mechanismen zu entschlüsseln, die bestimmen, wie schnell zwei zusammengehörige DNA-Stränge vollständig zusammenkommen - oder hybridisieren - können, um doppelsträngige DNA zu bilden. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nucleic Acids Research veröffentlicht.
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Vor etwa 50 Jahren wurde eine Theorie vorgeschlagen, die besagt, dass die Geschwindigkeit der Hybridisierung von DNA-Strängen durch den anfänglichen Kontakt bestimmt wird, der zu einer weiteren Bindung der Kette übereinstimmender Basen auf den DNA-Strängen führt - so genannte nukleierende Wechselwirkungen. Bislang konnte diese Theorie aufgrund der vielen komplexen Zusammenhänge in der DNA-Biologie nicht bewiesen werden.
"Es gibt eine enorme Anzahl von Wegen, auf denen sich zwei vollständig voneinander getrennte Stränge aneinander binden können. DNA-Stränge fügen sich nicht in einem Augenblick zu einem vollständig hybridisierten Duplex zusammen. Irgendwann werden sich nur zwei oder drei Basenpaare spontan verbinden. Das ist ein Nukleierungsereignis", erklärt Associate Professor Lawrence Lee, der das Forscherteam der UNSW Medicine & Health, UNSW Science und des Imperial College London leitete.
"Wir haben ein einfaches mathematisches Modell mit nur zwei Parametern entwickelt und uns gefragt: Wenn wir nur wüssten, wie viele Keimbildungsinteraktionen es gibt und wie stabil sie sind, können wir dann die Hybridisierungsraten vorhersagen? Und wir fanden heraus, dass die Antwort ja lautet", sagte er.
Um dieses Modell quantitativ zu testen, übersetzte das Forschungsteam die ursprüngliche Hypothese in eine mathematische Formel, mit der sie ihre experimentellen Beobachtungen mit synthetischer DNA messen konnten.
Prof. Lee erklärt, dass die Einfachheit entscheidend für die Vorhersagekraft ihres Modells war.
"Wenn ein mathematisches Modell zu viele verschiedene Parameter enthält, ist es für Vorhersagen nicht mehr geeignet. Der entscheidende Unterschied zu früheren Versuchen, die DNA-Hybridisierungsraten zu verstehen, bestand darin, dass unser Modell nur wenige Parameter hatte und mit DNA-Sequenzen getestet wurde, die keine Sekundärstrukturen bilden sollten", erklärt er.
DNA-Sekundärstrukturen bilden sich, wenn sich die Stränge in sich selbst falten, wodurch die Keimbildung und die Bindungsstellen möglicherweise verdeckt werden können.
"Die Theorie besagt, dass, wenn diese anfängliche kleine Interaktion stabil genug ist, sie zu einem sehr schnellen Auffalten der DNA-Stränge führt. Wenn der begrenzende Schritt die Keimbildung ist, dann folgt daraus, dass die DNA schneller hybridisieren sollte, wenn es mehr Keimbildungszustände gibt", so Prof. Lee.
Diese Entdeckung hat das Potenzial, unser Verständnis von biologischen Systemen zu verbessern. Die Fähigkeit, die Geschwindigkeit der DNA-Hybridisierung vorherzusagen oder zu kontrollieren, könnte auch dazu beitragen, den Nutzen von Nanotechnologien zu verfeinern oder zu erweitern. Mit diesem neuen Verständnis können die Forscher die Anzahl und Stabilität der Keimbildungsinteraktionen einstellen und damit die Geschwindigkeit der DNA-Bindung kontrollieren. Dies lässt sich auf verschiedene Weise erreichen, unter anderem durch Änderung der Reaktionstemperatur, der DNA-Sequenz und der Ionenstärke der Lösung.
"Wir können mit Hilfe von DNA-Farben - fluoreszierende DNA-Stränge, die als Markierungen für die Mikroskopie verwendet werden - hochauflösende Bilder erzeugen, da wir die Bindung und Lösung der DNA an einzelne Moleküle messen. Aber es kann sehr lange dauern, bis wir Daten erhalten. Wenn wir die Sequenzen für die DNA-Farbe rational gestalten könnten, so dass sie schneller binden kann, könnten wir die Aufnahmezeit für die hochauflösende Bildgebung verkürzen", sagte Prof. Lee.
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