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Kryo-Kraftspektroskopie Bindungskräfte und Elastizität von DNA-Strängen bestimmen

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Durch Kryo-Kraftspektroskopie konnten Physiker der Universität Basel die Bindungskräfte und die Elastizität von DNA-Molekülen untersuchen. Voraussetzung: Die Temperatur, bei der die Experimente durchgeführt werden, muss bei 5 Kelvin (-268 °C) liegen. Erst dann ist es, die DNA-Stränge entsprechend zu modifizieren.

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Bei tiefen Temperaturen wird ein DNA-Strang mithilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops von der Goldoberfläche entfernt. Dabei lassen sich physikalische Parameter wie Elastizität und Bindungseigenschaften bestimmen.
Bei tiefen Temperaturen wird ein DNA-Strang mithilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops von der Goldoberfläche entfernt. Dabei lassen sich physikalische Parameter wie Elastizität und Bindungseigenschaften bestimmen.
(Bild: Universität Basel, Departement Physik)

Basel/Schweiz – Die DNA ist nicht nur ein begehrtes Forschungsobjekt, weil sie die Bauanleitung für das Leben enthält. Aus ihr lassen sich auch kleinste Bauteile für technische Anwendungen herstellen. Beim so genannten DNA-Origami können Wissenschaftler die Erbsubstanz so manipulieren, dass durch die Faltung von DNA-Strängen winzige zwei- und dreidimensionale Strukturen entstehen. Diese eignen sich zum Beispiel als Behältnis für pharmazeutische Wirkstoffe, als stromleitende Röhrchen und als hochsensible Sensoren.

Messung bei tiefen Temperaturen

Um die gewünschten Formen bilden zu können, ist es wichtig, die Struktur sowie die Elastizität und die Bindungskräfte der verwendeten DNA-Bauteile zu kennen. Bei Raumtemperatur lassen sich diese physikalischen Parameter nicht messen, da die Moleküle ständig in Bewegung sind.

Nicht so bei tiefen Temperaturen: Das Team um Professor Ernst Meyer vom Swiss Nanoscience Institut und Departement Physik der Universität Basel hat erstmals die Kryo-Kraftmikroskopie eingesetzt, um DNA-Moleküle zu charakterisieren und ihre Bindungskräfte sowie ihre Elastizität zu untersuchen.

DNA: Stück für Stück abgelöst

Die Wissenschaftler platzierten dazu DNA-Stränge aus 20 Cytosin-Nukleotiden auf einer Goldoberfläche. Bei einer Temperatur von 5 Kelvin wurde dann ein Ende des DNA-Stranges mithilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops nach oben gezogen. Nach und nach lösen sich dabei die einzelnen Bausteine des Strangs von der Oberfläche. Die Physiker konnten dabei ihre Elastizität erfassen sowie die Kräfte, die es braucht, um die DNA-Moleküle von der Goldoberfläche zu lösen.

Das Video zeigt die Ablösung der 20 Cytosin-Nukleotide von der Goldoberfläche.

„Je länger das abgelöste DNA-Stück wird, desto elastischer und weicher wird die DNA“, erläutert Erstautor Dr. Rémy Pawlak. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich die einzelnen Bausteine der DNA wie eine Kette von mehreren miteinander verbundenen Spiralfedern verhalten. Aufgrund der Messungen konnten die Forscher die Federkonstante für die einzelnen DNA-Bausteine ermitteln.

Computersimulationen verdeutlichen, dass die DNA diskontinuierlich von der Oberfläche abgelöst wird, was mit dem Aufbrechen der Bindungen der Cytosine zur Goldoberfläche und der abrupten Bewegung auf der Goldoberfläche zu tun hat. Die theoretischen Elastizitätswerte stimmen sehr gut mit den Experimenten überein und bestätigen das Modell von seriell angeordneten Federn.

Momentaufnahme mit Kryo-Spektroskopie verschafft Einblick

Die Untersuchungen belegen, dass sich die Kryo-Kraftspektroskopie sehr gut eignet, um Kräfte, Elastizität und Bindungseigenschaften von DNA-Strängen auf Oberflächen bei tiefen Temperaturen zu untersuchen.

„Wie bei der Kryoelektronenmikroskopie machen wir mit der Kryo-Spektroskopie eine Momentaufnahme und gewinnen so einen Einblick in die Eigenschaften von DNA“, ergänzt Ernst Meyer. „Zudem könnten sich in Zukunft die rastersondenmikroskopischen Aufnahmen zur Bestimmung von Nukleotidsequenzen nutzen lassen.“

Originalpublikation: Rémy Pawlak, Guilherme Vilhena, Antoine Hinaut, Tobias Meier, Thilo Glatzel, Alexis Baratoff, Enrico Gnecco, Ruben Perez, and Ernst Meyer; Conformations and cryo-force spectroscopy of spray-deposited single-strand DNA on gold; Nature Communications (2019), doi: 10.1038/s41467-019-08531-4

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