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Ultraviolette Strahlung

Paracelsus lässt grüßen – Biosensor zur absoluten Dosimetrie von UV-Strahlung

| Autor / Redakteur: Andreas Bermpohl et al.* / Dr. Ilka Ottleben

Endlich Sonnenlicht – doch auch bei der darin enthaltenen UV-Strahlung macht wie so oft, die Dosis, das „Gift“.
Endlich Sonnenlicht – doch auch bei der darin enthaltenen UV-Strahlung macht wie so oft, die Dosis, das „Gift“. (Bild: © ipopba / Fotolia.com)

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Ultraviolette Strahlung kann unsere Gesundheit positiv wie negativ beeinflussen. Wie so oft, macht die Dosis, das „Gift“. Doch wie ihre absolute Dosis messen? Hier gelangt die Analytik bislang an ihre Grenzen. Ein neu entwickelter Biosensor auf Basis künstlicher DNA will nun Abhilfe schaffen.

Ultraviolette Strahlung verursacht nach langfristiger Exposition beim Menschen Erytheme (Sonnenbrand) und Konjunktivitis (Bindehautentzündung). Die transformierende Wirkung von kurzwelliger UV-Strahlung ist seit Jahrzehnten bekannt, wobei hier auf biochemischer Ebene verschiedene Mechanismen diskutiert werden, die letzten Endes zu einer unkontrollierten Zellteilung, einem Verlust der Kontaktinhibition und damit in ein Krebsgeschehen münden können. Auf der anderen Seite sind vielfältige positive Wirkungen von kurzwelligem ultraviolettem Sonnenlicht auf die menschliche Gesundheit bekannt. Ohne diesen kurzwelligen Sonnenlichtanteil ist der Mensch nicht in der Lage, das für den Knochenerhalt wichtige Vitamin-D zu produzieren.

Darüber hinaus besteht ein Zusammenhang zwischen ultravioletter Strahlung und einer positiven Wirkung auf unsere Psyche. Besteht zudem die Möglichkeit, dass UV-Strahlung inflammatorische (entzündliche) Prozesse im menschlichen Körper blockiert und damit bei verschiedenen Erkrankungen zur Genesung beitragen kann? Bereits 1988 konnte von Hengst et al. [1] gezeigt werden, dass die Exposition von Patienten mit entzündlichen Erkrankungen der vorderen Augenkammer (Uveitis) mit UV-Licht zu einer deutlichen Reduktion der therapeutisch eingesetzten Cortisongaben führt.

Diese Bivalenz in der Wirkung wurde niemals trefflicher als durch Paracelsus auf den Punkt gebracht: Allein die Dosis macht es, das ein Ding kein Gift sei! Die Dosis ist aber exakt das Problem bei der Sonneneinstrahlung, der wir täglich ausgesetzt sind. Eine Bestimmung des Anteils der schädigenden Wirkung zum Anteil dessen, was gesundheitsförderlich ist, ist nur schwer möglich.

Künstliche DNA-Moleküle zur UV-Strahlungsdetektion

Ultraviolette Strahlung führt zur Schädigung der Erbsubstanz DNA. Diese besteht in ihrem kodierenden Anteil aus den vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Die Basensequenz, also die Abfolge dieser vier Bausteine generiert das Buch des Lebens und dies bei allen Organismen, egal ob Mensch, Bakterie, Pflanze oder Virus. Elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge 254 nm (ein Teil der UV-Strahlung) führt primär zur Einführung von Thymindimeren in die DNA [2]. An Stellen, an denen zufällig zwei Thymine nebeneinander folgen (Hot Spots), führt UV-Strahlung dazu, dass diese beiden benachbarten Basen zu einem Cyclobutanring reagieren (s. Abb. 1).

Die Folge dieser UV-induzierten Reaktion nach zwei Replikationszyklen: Eine Mutation, eine vererbbare Veränderung der DNA, hat sich manifestiert. Neben diesen sehr häufig auftretenden Veränderungen werden weitere seltene UV-Produkte auf der DNA-Ebene beobachtet (beispielsweise GC-6.4 Produkte).

Die Kenntnis der möglichen Reaktionen auf Nukleinsäuren hat zu der Idee geführt, künstliche DNA-Moleküle zu konstruieren, die zur UV-Strahlungsdetektion besonders viele repetitive benachbarte Thymine enthalten. Werden diese Moleküle mit UV-Strahlung behandelt, erfolgt in dosisabhängiger Wirkung die Einführung von Cyclobutanringen. Die Quantifizierung der entstandenen Thymindimere bietet damit die Möglichkeit, UV-Dosis-Werte exakt bestimmen zu können.

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