Force-induced structural transitions in cross-linked deoxyribonucleic acid films

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur strukturellen Untersuchung von mechanisch gestreckten DNS-Molekülen entwickelt. Als Proben werden in einem Nassspinnverfahren hergestellte DNS-Filme, in denen die Makromoleküle bereits eine hohe Orientierungsordnung besitzen, verwendet, so dass Kräfte, die auf den Film einwirken, direkt zu Strukturänderungen der DNS führen können. Eine Kraftübertragung zwischen den einzelenen Molekülen wird durch Vernetzung erreicht, wobei Formaldehyd, Ethylenglykoldiglycidylether sowie verschiedene Bisinterkalatoren verwendet werden. Ein Vergleich der genannten Vernetzungmethoden wird mittels Gelelektrophorese sowie durch Bestimmung des elastischen oder plastischen Verhaltens der Filmproben durchgeführt. Zum ersten Mal kann auch nachgewiesen werden, dass Formaldehyd intermolekulare Verknüpfungen in DNS ausbildet. Die Sekundärstruktur des Formaldehyd-DNS-Komplexes wird mit Ramanstreuung charakterisiert, wodurch auch eine eindeutige Unterscheidung von einem reinen Denaturierungsprozess ermöglicht worden ist. Durch Änderung der umgebenden Luftfeuchtigkeit kann die DNS in den Filmproben in B-Form gebracht werden. Die niederfrequente Dynamik während der Hydratisierung und Dehydratisierung wird durch Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie vermessen, wobei erstmals Transmissionsunterschiede in Abhängigkeit von der Orientierung der DNS gegenüber dem elektrischen Terahertzfeld verzeichnet werden. Die Zeitkonstanten für einen A-B-Übergang der Proben können durch Ramanstreuung bestätigt werden. Die DNS-Filme werden beim Strecken durch Doppelbrechungsmessungen bezüglich der Basenpaarverkippung untersucht. Vernetzte Filme zeigen beim Strecken eine Abnahme der Doppelbrechung. Mittels Röntgendiffraktionsmessungwerden Änderungen der Basenpaarabstände festgestellt. Es treten hierbei bisher unbeobachtete Periodizitäten auf, für die Interpretationsvorschläge ausgearbeitet werden. Ein meridionaler Reflex, der einer Periodizität von 7.4 Å entspricht, stammt vermutlich von einer gestreckten, entwundenen Konformation. Der Reflex verschwindet, wenn die Luftfeuchtigkeit, welche die Probe umgibt, erniedrigt und der Film dehydriert wird. Es zeigt sich jedoch, dass auch -wie bereits in der Literatur diskutiert worden ist- Verschlaufungen der DNS-Moleküle in Filmen zu Vernetzung führen. Auf diese Weise kann,wenn etwa der Zufluss an DNS-Lösung beim Nassspinnen hoch genug gewählt wird, eine Streckung der DNS erreicht werden.