Das Entpacken der Doppelhelix enthüllt die DNA-Physik

Genau zu rekonstruieren, wie die Teile eines komplexen Moleküls zusammengehalten werden, nur zu wissen, wie sich das Molekül verzerrt und auflöst – das war die Herausforderung, die sich ein Forschungsteam unter der Leitung von Cristian Micheletti von der SISSA stellte und kürzlich veröffentlichte Briefe zur körperlichen Überprüfung. Insbesondere untersuchten die Wissenschaftler, wie sich eine DNA-Doppelhelix auflöst, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit durch eine Nanopore transportiert wird, und rekonstruierten grundlegende thermodynamische Eigenschaften der DNA aus der alleinigen Geschwindigkeit des Prozesses.

Die Translokation von Polymeren durch Nanoporen wird seit langem sowohl als grundlegendes theoretisches Problem als auch wegen ihrer verschiedenen praktischen Auswirkungen, z. B. für die Genomsequenzierung, untersucht. Wir erinnern uns, dass bei letzterem ein DNA-Filament durch eine Pore getrieben wird, die so eng ist, dass nur einer der Doppelhelix-Stränge passieren kann, während der andere Strang zurückgelassen wird. Infolgedessen wird die translozierte DNA-Doppelhelix zwangsläufig gespalten und abgewickelt, ein Effekt, der als Entpacken bekannt ist.

Das Forschungsteam, zu dem auch Antonio Suma von der Universität Bari, Erstautor, und Vincenzo Carnevale von der Temple University gehören, verwendete eine Gruppe von Computern, um den Prozess zu simulieren, wobei verschiedene Antriebskräfte die Entpackgeschwindigkeit der DNA, eine Art Daten, verfolgten die kaum untersucht wurde, obwohl sie experimentell direkt zugänglich ist.

Mit zuvor entwickelten theoretischen und mathematischen Modellen konnten die Forscher „rückwärts“ arbeiten und anhand der Informationen über die Geschwindigkeit die Thermodynamik der Bildung und des Bruchs der Doppelhelixstruktur genau rekonstruieren.

„Bisherige Theorien“, erklären die Forscher, „gingen von detaillierten Kenntnissen der Thermodynamik eines molekularen Systems aus, die dann genutzt wurden, um die Reaktion auf mehr oder weniger invasive äußere Belastungen vorherzusagen. Das allein ist schon eine große Herausforderung.“ Wir haben uns das angeschaut das umgekehrte Problem: Wir gingen von der Reaktion der DNA auf aggressive Belastungen wie das erzwungene Öffnen der Doppelhelix aus, um die Details der Thermodynamik zu ermitteln.

„Aufgrund der invasiven und schnellen Art des Entpackvorgangs schien das Projekt zum Scheitern verurteilt zu sein, und das war wahrscheinlich der Grund, warum es noch nie zuvor versucht worden war. Wir wussten jedoch auch, dass die richtigen theoretischen und mathematischen Modelle, falls zutreffend, bieten könnten uns eine vielversprechende Lösung für das Problem. Nach der Analyse der umfangreichen gesammelten Daten waren wir sehr begeistert, festzustellen, dass genau dies der Fall ist; wir waren froh, dass wir die richtige Intuition hatten.

Die in der Studie angewandte Technik ist allgemein gehalten, und daher erwarten die Forscher, sie über die DNA hinaus auf andere molekulare Systeme ausdehnen zu können, die noch relativ unerforscht sind. Ein typisches Beispiel sind die sogenannten molekularen Motoren, Proteinaggregate, die mithilfe von Energie zyklische Umwandlungen durchführen, ganz ähnlich wie die Motoren in unserem Alltag.

„Bisher“, betonen die Forscher, „haben Studien zu molekularen Motoren damit begonnen, Hypothesen zu ihrer Thermodynamik zu formulieren und dann Vorhersagen mit experimentellen Daten zu vergleichen. Gleichgewichtsexperimente zur Wiederherstellung der Thermodynamik mit klaren konzeptionellen und praktischen Vorteilen.“