Molekulare Kräfte: Die überraschende Dehnungsverhalten von DNA

Experimente mit DNA-Molekülen zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften von dem, was die von makroskopischen Objekten völlig verschieden sind, und diese wichtigen Folgen für die Biologie und Medizin. Wissenschaftler an der TU Wien (Wien) haben nun erklärt, diese Eigenschaften im Detail gelungen von Ideen aus dem Tiefbau und Physik kombiniert.

Unerwartetes Verhalten auf molekularer Ebene

Auf den ersten Blick könnte man die DNA-Doppelhelix als winzig kleine Feder denken, dass Sie einfach dehnen und komprimieren kann wie würden Sie eine gewöhnliche Feder. Aber es ist nicht ganz so einfach: „Wenn Sie ein Stück DNA strecken, würden Sie tatsächlich die Anzahl der Windungen erwarten zu verringern, aber in bestimmten Fällen das Gegenteil wahr ist.“ Wenn die Helix länger wird, ist es manchmal verdreht noch mehr, „sagt Bauingenieur Johannes Kalliauer vom Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen an der TU Wien.“ Abgesehen davon, dass DNA-Moleküle sind viel zäher als die Materialien in der Regel mit dem wir in Bauwesen beschäftigen: Sie können 70% länger werden unter Zugspannung .“

Diese seltsamen mechanischen Eigenschaften von DNA sind von großer Bedeutung für die Biologie und Medizin: „Wenn die genetische Information von dem DNA-Moleküle in einer lebenden Zelle gelesen wird, können die Einzelheiten der Geometrie bestimmen, ob ein Lesefehler auftritt, was im schlimmsten Fall kann sogar Krebs verursachen“, sagt Johannes Kalliauer. „Bis jetzt hat die Molekularbiologie hatte mit empirischen Methoden erfüllt werden, um die Beziehung zwischen den Kräften und der Geometrie der DNA zu erklären.“

In seiner Dissertation bekam Johannes Kalliauer auf den Grund dieser Frage, und er tat dies in Form einer eher ungewöhnlichen Kombination von Themen: Seine Arbeit auf der einen Seite durch den Bauingenieur Prof. Christian Hellmich, und auf der anderen Seite überwacht wurde Hand von Prof. Gerhard Kahl vom Institut für Theoretische Physik.

„Wir Molekulardynamik-Methoden verwendet, um das DNA-Molekül auf atomarer Skala auf dem Computer zu reproduzieren“, erklärt Kalliauer. „Sie bestimmen, wie die DNA-Helices komprimiert sind, gedehnt oder verdreht, und dann berechnen Sie die Kräfte, die und die endgültige Position der Atome auftreten.“ Solche Berechnungen sind sehr komplex und nur mit Hilfe von großen Supercomputern verwendet Johannes Kalliauer die Vienna Scientific Cluster (VSC) für diesen Zweck.

Auf diese Weise könnten die seltsamen experimentellen Befunde explaned, wie das eingängig Ergebnis, dass in bestimmten Fällen die DNA-Drehungen noch mehr, wenn sie gedehnt. „Es ist schwer in großem Maßstab vorstellbar, aber auf atomarer Ebene alles macht Sinn“, sagt Johannes Kalliauer.

Seltsame Zwischenwelt

Innerhalb der Atommodelle der theoretischen Physik, können Interatomarkraftrastermikroskop Kräfte und Entfernungen bestimmt werden. Die Verwendung bestimmte vom Team entwickelten Regeln basierend auf den Prinzipien von Hoch- und Tiefbau, die entsprechenden Kraftgrößen erforderlich, um den DNA-Strang zu beschreiben, wie ein ganze kann dann bestimmt werden, ähnlich wie die Statik eines Strahls im Bauwesen beschrieben werden kann, einige wichtige Verwendung Querschnittseigenschaften.

„Wir sind in einer interessanten Zwischenwelt, hier zu arbeiten, zwischen den mikroskopischen und makroskopischen“, sagt Johannes Kalliauer. „Das Besondere an diesem Forschungsprojekt ist, dass man wirklich beide Perspektiven brauchen, und Sie haben, um sie zu kombinieren.“

Diese Kombination von deutlich unterschiedlichen Größenskalen spielt eine zentrale Rolle am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen immer wieder. Denn die Materialeigenschaften, dass wir das Gefühl, jeden Tag in großem Maßstab immer durch das Verhalten auf der Mikroebene bestimmt. Die aktuelle Arbeit, die jetzt in der veröffentlicht wurde „Journal der Mechanik und Physik fester Stoffe,“ sollte auf der einen Seite zeigen, wie die großen zu verbinden und die kleinen in eine wissenschaftlich genauen Art und Weise, und auf der anderen Seite zu Hilfe, um besser das Verhalten von DNA, bis auf die Erklärung von Erbkrankheiten zu verstehen.