Chemische 'Nase' erschnüffelt kritische Unterschiede in DNA-Strukturen
Detektionsinnovation könnte Medikamentenentwicklung und Krebsforschung verbessern
Kleine Veränderungen in der Struktur der DNA wurden mit Brustkrebs und anderen Krankheiten in Verbindung gebracht, aber sie waren extrem schwierig zu erkennen - bis jetzt.
Illustration der chemischen "Nase", die eine G-Quadruplex-Struktur erkennt.
Richard Hooley/UCR
Mit Hilfe einer "chemischen Nase", wie sie es nennen, können Chemiker der UC Riverside "riechen", wenn DNA-Stücke auf ungewöhnliche Weise gefaltet sind. Ihre Arbeit, mit der sie dieses System entwickelt und demonstriert haben, wurde in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.
"Wenn eine DNA-Sequenz gefaltet ist, könnte dies die Transkription eines Gens verhindern, das mit diesem bestimmten Stück DNA verbunden ist", sagte Studienautor und UCR-Chemieprofessor Wenwan Zhong. "Mit anderen Worten, dies könnte einen positiven Effekt haben, indem es ein Gen zum Schweigen bringt, das das Potenzial hat, Krebs zu verursachen oder Tumore zu fördern."
Umgekehrt könnte die DNA-Faltung auch einen negativen Effekt haben.
"DNA-Faltungen könnten möglicherweise verhindern, dass virale Proteine produziert werden, um die Immunantwort zu minimieren", sagte Zhong.
Um zu untersuchen, wie sich diese Falten auf Lebewesen auswirken könnten, entweder positiv oder negativ, müssen die Wissenschaftler sie zunächst nachweisen. Dazu haben Richard Hooley, Professor für organische Chemie an der UCR, und seine Kollegen ein Konzept modifiziert, das bereits für die Erkennung anderer Dinge verwendet wurde, wie z. B. chemische Komponenten in verschiedenen Jahrgängen von Wein.
Die Chemikalien im System könnten so gestaltet werden, dass sie nach fast jeder Art von Zielmolekül suchen. So wie die "Nase" typischerweise eingesetzt wird, konnte sie jedoch keine DNA erkennen. Erst als Hooleys Gruppe zusätzliche, nicht standardisierte Komponenten hinzufügte, konnte die Nase ihr DNA-Ziel erschnüffeln.
"Der Mensch nimmt Gerüche wahr, indem er Luft einatmet, die Geruchsmoleküle enthält, die an mehrere Rezeptoren in der Nase binden", erklärte Hooley. "Unser System ist vergleichbar, weil wir mehrere Rezeptoren haben, die mit den DNA-Falten interagieren können, nach denen wir suchen."
Die chemische Nase besteht aus drei Teilen: Wirtsmoleküle, fluoreszierende Gastmoleküle und DNA, die das Ziel ist. Wenn die gewünschten Falten vorhanden sind, leuchtet das Gastmolekül und zeigt den Wissenschaftlern ihre Anwesenheit in einer Probe an.
Die DNA besteht aus vier Nukleinsäuren: Guanin, Adenin, Cytosin und Thymin. Die meiste Zeit bilden diese Säuren eine Doppelhelixstruktur, die einer Leiter ähnelt. Guanin-reiche Regionen falten sich manchmal auf eine andere Art und Weise und bilden einen so genannten G-Quadruplex.
Teile des Genoms, die diese Quadruplex-Strukturen bilden, sind extrem komplex. Forscher der UC Riverside haben jedoch herausgefunden, dass ihre Faltungen die Genexpression regulieren und eine Schlüsselrolle bei der Gesunderhaltung von Zellen spielen.
Für dieses Experiment wollten die Forscher zeigen, dass sie einen bestimmten Typ von Quadruplexen, die aus vier Guaninen bestehen, nachweisen können. Nachdem dies gelungen ist, sagte Zhong, dass das Forschungsteam versuchen wird, auf ihrem Erfolg aufzubauen.
"Jetzt denken wir, dass wir mehr tun können", sagte sie. "Es gibt andere dreidimensionale Strukturen in der DNA, und wir wollen auch diese verstehen."
Die Forscher werden untersuchen, wie Kräfte, die die DNA beschädigen, die Art und Weise ihrer Faltung beeinflussen. Sie werden auch die RNA-Faltung untersuchen, weil RNA wichtige Funktionen in einer Zelle ausführt.
"RNA hat noch komplexere Strukturen als DNA und ist schwieriger zu analysieren, aber das Verständnis ihrer Struktur hat großes Potenzial für die Krankheitsforschung", so Zhong.
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