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ForschungsForum Paderborn
Quelle: Keller
Abb. 3: a) Experimentelle Strategie für die quantitative, sequenzabhängige Einzelmoleküluntersuchung von DNA-Strahlenschäden, b) Rasterkraftmikroskopische
Aufnahmen einer bestrahlten und einer unbestrahlten DNA-Origami-Probe nach der Streptavidin-Ankopplung. Die Bestrahlung mit 18 eV Elektronen
führt zu einer Abnahme der spezifisch gebundenen Streptavidinmoleküle durch die Erzeugung von Strangbrüchen, c) Ermittelte Wechselwirkungsquerschnitte
σ SSB für die drei untersuchten DNA-Sequenzen.
noch intakte Stränge eine Biotinmodifikation.
Diese intakten Stränge können dann durch die
spezifische Ankopplung eines verhältnismäßig
großen Proteins namens Streptavidin, welches
eine hohe Bindungsaffinität für Biotin besitzt,
markiert und im Rasterkraftmikroskop sichtbar
gemacht werden. Dies ist exemplarisch in Abbildung
3 b für eine bestrahlte und eine unbestrahlte
Probe gezeigt. Durch eine statistische Analyse der
mikroskopischen Aufnahmen wird dann der
prozentuale Anteil der induzierten Strangbrüche
für jede Sequenz als Funktion der Elektronenfluenz
bestimmt, welche einen linearen Anstieg
aufweist. Der Anstieg in diesem linearen Regime
entspricht dem Wirkungsquerschnitt der DNA-
Schädigung für die jeweilige Sequenz.
Mithilfe dieses Ansatzes wurden drei verschiedene
DNA-Sequenzen untersucht und die Wirkungsquerschnitte
für Bestrahlung mit Elektronen einer
Energie von 18 eV bestimmt [4]. Wie sich herausstellte,
sind die gemessenen Wirkungsquerschnitte
bei dieser Energie stark von der DNA-Sequenz
abhängig, wobei die A-haltige Sequenz weitaus
anfälliger für Strangbrüche ist als die G- und C-
haltigen Sequenzen (Abbildung 3 c). In weiteren
Experimenten wurde gezeigt, dass diese Sequenzabhängigkeit
auch in Gegenwart des Radiosensibilisators
5-Bromuracil bestehen bleibt [4]. Radiosensibilisatoren
sind Medikamente, welche in der
Radiotherapie eingesetzt werden, um die Sensitivität
von Zellen gegenüber energetischer Strahlung
zu erhöhen. Bei 5-Bromuracil geschieht dies
durch eine Erhöhung von DNA-Strangbrüchen,
welche in den vorliegenden Untersuchungen
ebenfalls eine ausgeprägte Sequenzabhängigkeit
aufwies. Derartige Studien stellen eine wichtige
Grundlage für das Verständnis der Wirkmechanismen
von Radiochemotherapeutika dar, welches
eine wichtige Vorrausetzung für die Entwicklung
verbesserter Medikamente ist.
DNA-Sensoren
zum Nachweis einzelner Moleküle
Neben organischen Spezies wie Proteinen wurde
auch eine Auswahl anorganischer Nanopartikel
auf DNA-Origami-Substraten immobilisiert. Eine
besondere Bedeutung kommt hierbei Goldnanopartikeln
zu, da diese sich durch spezielle optische
Eigenschaften auszeichnen. Fällt Licht mit
passender Wellenlänge auf diese Partikel, so wird
eine kollektive Schwingung des Elektronengases
resonant angeregt, welche für die charakteristische
rote Farbe von kolloidalen Goldlösungen
verantwortlich ist. Diese Schwingung, Plasmon
genannt, sorgt weiterhin für eine Verstärkung des
elektromagnetischen Feldes in der Umgebung des
Nanopartikels. Werden zwei Nanopartikel nahe
zusammen gebracht, koppeln die einzelnen Plasmonen,
was zu einer zusätzlichen Feldverstärkung
in dem kleinen Volumen zwischen den Nanopartikeln
führt (Abbildung 4 a). Abhängig von der Art
der Nanopartikel und ihrer Anordnung kann diese
Verstärkung mehrere Größenordnungen umfassen.
Befindet sich nun ein Molekül in dem Bereich
der Feldverstärkung, wird es durch das oszillierende
elektromagnetische Feld zu Schwingungen
angeregt, was zu einer Streuung des einfallenden
Lichts führt. Man spricht hier von „Raman-Streu-
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