Zwei DNA-Moleküle sind negativ geladen und müssten sich nach den Gesetzen der Elektrostatik abstoßen. Doch innerhalb der Zelle können sie einander fast bis zur Berührung nahekommen, sich parallel ausrichten und stabile Kontakte ausbilden.
Nun ist es Forschern erstmals gelungen, die Struktur einer solchen Annäherung direkt zu sehen.
Wissenschaftler der Universitäten York und Sheffield nutzten hochauflösende Rasterkraftmikroskopie in flüssigem Medium und verbanden sie mit Computersimulationen der Molekulardynamik. Auf den Aufnahmen lagen zwei DNA-Doppelhelices über mehrere Windungen hinweg nebeneinander, wobei ihre Geometrie erstaunlich genau übereinstimmte: Die großen Furchen richteten sich gegenüber den großen aus, die kleinen gegenüber den kleinen.
Es entstand eine Struktur, die an einen molekularen Reißverschluss erinnert.
Ionen werden zu Brücken
Eine Schlüsselrolle spielen dabei zweiwertige Metallionen – vor allem Magnesium, Calcium und Nickel.
Da das Phosphatrückgrat der DNA eine negative Ladung trägt, stoßen sich zwei Moleküle auf natürliche Weise ab. Positiv geladene Ionen kompensieren diese Wechselwirkung teilweise und können gewissermaßen Brücken zwischen benachbarten Helices bilden.
Doch der Mechanismus erwies sich als interessanter als eine bloße „Neutralisierung der Ladung“.
Die Modellierung zeigte, dass Ionen sich innerhalb der großen und kleinen Furchen der DNA anordnen und ein räumlich organisiertes Netzwerk von Kontakten schaffen können. Dadurch nähern sich die beiden Helices nicht nur an – sie erhalten die Möglichkeit, sich in einer bestimmten Geometrie zueinander auszurichten.
Genau ein solches Modell eines elektrostatischen „DNA-Reißverschlusses“ schlug vor etwa zwanzig Jahren Professor Alexei Kornyschew gemeinsam mit seinen Kollegen vor. Bis heute blieb es in beträchtlichem Maße theoretisch.
Nun haben die Forscher dafür eine direkte strukturelle Bestätigung erhalten.
Nicht alle Ionen wirken gleich
Verschiedene Metalle erzeugen verschiedene Arten von Kontakten.
Nickelionen zeigten stärker lokalisierte Wechselwirkungen mit bestimmten Abschnitten der DNA. Magnesium und Calcium bildeten vielfältigere Bindungsnetzwerke und konnten an Kontakten sowohl in den kleinen als auch in den großen Furchen beteiligt sein.
Das bedeutet, dass die chemische Umgebung beeinflussen kann, wie stabil zwei DNA-Moleküle nebeneinander bleiben und wie sie sich zueinander ausrichten.
Doch hier ist es wichtig, nicht zu weit zu gehen: Das Experiment zeigt nicht, dass die DNA allein aufgrund von Ionen selbstständig und fehlerfrei eine identische Sequenz erkennt.
Die Forscher beobachteten Kontakte sowohl zwischen ähnlichen als auch zwischen unterschiedlichen Sequenzen. Die Autoren vermuten, dass die Übereinstimmung von Sequenzen dazu beitragen kann, die richtige Ausrichtung aufrechtzuerhalten und den Kontakt entlang des Moleküls auszubreiten, doch dieser Mechanismus muss noch genauer untersucht werden.
Warum sollten sich DNA-Moleküle überhaupt annähern?
Derartige Wechselwirkungen könnten für grundlegende Prozesse innerhalb der Zelle von Bedeutung sein: für die Organisation der Chromosomen, die Wechselwirkung von Genomabschnitten und für Mechanismen, bei denen DNA-Moleküle ähnliche Sequenzen finden und einander zuordnen müssen.
Die Arbeit ist auch für die DNA-Nanotechnologie interessant. Je besser die Forscher verstehen, welche Kräfte zwei Helices zur Annäherung bringen und wie Ionen diesen Prozess beeinflussen, desto präziser lassen sich künstliche Strukturen auf DNA-Basis entwerfen – beispielsweise DNA-Origami-Konstruktionen und andere programmierbare Nanostrukturen.
Doch der vielleicht interessanteste Teil der Untersuchung liegt woanders.
Auf molekularer Ebene löst das Leben ständig Aufgaben, die auf den ersten Blick physikalisch unmöglich erscheinen. Zwei negativ geladene Helices müssten sich voneinander entfernen – stattdessen liegen sie nebeneinander und richten ihre Furchen exakt aneinander aus.
Und einige winzige Ionen tragen dazu bei, die Abstoßung in einen geordneten Kontakt zu verwandeln.
