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Titelbild NR 5/2016 – Titelbild NR 5/2016: Tertiärstruktur des künstlichen DNAzyms 9DB1. Lange Zeit sah man in der DNA ausschließlich den Speicher der Erbinformation. Inzwischen ist bekannt, dass sie auch katalytische Aufgaben wahrnehmen kann, und künstlich hergestellte DNAzyme, die ein breites Spektrum an chemischen Umwandlungen ausführen, stehen in einer Reihe mit Ribozymen und Enzymen. So können ligierende DNAzyme wie 9DB1 zur Herstellung von künstlichen Biopolymeren dienen. 9DB1 wurde bereits 2005 durch ein kombinatorisches Verfahren zur gerichteten Evolution von Oligonucleotidsträngen gewonnen. Aus einem Pool an einzelsträngigen DNA-Molekülen wurden in einem mehrere Zyklen durchlaufenden dreistufigen Prozess aus Selektion, Separation und Amplifikation diejenigen DNA-Stränge gezielt vermehrt, die zur regioselektiven Knüpfung einer Phosphodiesterbindung zwischen dem 3’-Hydroxy- und dem 5‘-Phosphatende zweier RNA-Stränge fähig sind [1]. Mithilfe eines RNA-spaltenden DNAzyms mit hoher Spezifität für 3‘-5‘-Phosphodiesterbindungen wurde die Spezifität der Ligasen überprüft. 9DB1 weist eine relativ geringe Substratspezifität auf und kann deshalb eine große Bandbreite an RNA-Strängen miteinander verbinden. Optimale Reaktionsbedingungen werden bei pH 9 und 37 °C in Gegenwart divalenter Metallionen wie Mg2+ und Mn2+, die bei der Katalyse eine Rolle zu spielen scheinen, erreicht. Die Verdopplungszeit der Produkte liegt hier bei etwa 15 Minuten und sinkt bei pH 7,5 auf 4 Stunden, die Ausbeute liegt insgesamt bei 60 bis 70%.
Die Kristallisation von 9DB1 lieferte nun die erste Struktur eines DNAzyms im funktionsfähigen Zustand [2] (vgl. S. 249). Die Kristalle wurden mithilfe der „Sitting drop“-Methode gezüchtet, bei der sich ein Tropfen der Nucleinsäurelösung mit niedriger Fällungsmittelkonzentration neben einer Lösung mit hochkonzentriertem Fällungsmittel befindet. Die über die Gasphase stattfindende Diffusion des Lösungsmittels führt zu einer Übersättigung im Tropfen. Der erhaltene Kristall wurde in eine Schwermetalllösung (Hexaammincobalt(III)-chlorid) eingelegt und dessen Beugungsmuster mit Hilfe einer röntgenkristallographischen Methode aufgeklärt, die Strahlung einer einzigen Wellenlänge verwendet. Auf der Basis der erhaltenen Kristallstruktur (Auflösung 2,8 Ångstrom) konnte ein Modell von 9DB1 im postkatalytischen Zustand mit noch gebundenem Substrat erstellt werden. Die Abbildung zeigt das vom Lösungsmittel befreite DNAzym, wobei das Nucleotidrückgrad grün dargestellt ist. Das DNAzym hat die Form des griechischen Buchstaben Lambda, bestehend aus zwei DNA-RNA-Hybriddoppelsträngen, die im Winkel von 120° zueinander stehen und fest mit der katalytischen Domäne verankert sind. Die zu ligierenden RNA-Nucleotide der beiden RNA-Stränge bilden intensive Tertiärkontakte mit der katalytischen Domäne des DNAzyms aus. Hierdurch und durch verschiedene Abschnitte mit intra- und intermolekularen Basenpaarungen ergibt sich auf Ebene der Sekundärstruktur eine komplexe doppelte Pseudoknotenstruktur, die sich zu dem dreidimensionalen, lambdaförmigen Gebilde faltet. Der Pfeil markiert den DNA-Strang, der Keil das RNA-Substrat.
[1] W. E. Purtha et al., J. Am. Chem. Soc. 127, 12124 (2005). – [2] A. Ponce-Salvatierra et al., Nature 529, 231 (2016).
[Abb. Prof. Dr. Claudia Höbartner, Institut für Organische und Biomolekulare Chemie, Universität Göttingen/MPI für biophysikalische Chemie]
 

Dr. Larissa Tetsch, Maisach

     
   
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Max-Heft der Max-Planck-Gesellschaft München, Frühjahr 2016

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Gefiederte Großstädter − und ihr anderes Verhalten (nicht nur zur Paarungszeit)
 
     
   
     
   
   

Manche mögen es heißer – Thermophile Mikroorganismen in Islands heißen Quellen

Vor rund 50 Jahren entdeckte man die Welt der Extremophilen: Mikroorganismen, die in einem lange Zeit als lebensfeindlich angesehenen Milieu gedeihen. Mittlerweile sind zahlreiche solcher Bakterien und Archaeen bekannt, die extreme Lebensbedingungen nicht nur tolerieren, sondern für ihre Existenz benötigen. Sie zeigen eindrucksvoll die Anpassungsfähigkeit von Organismen und haben vor allem große biotechnologische Bedeutung erlangt. So beruht die heute zum Standard gewordene Polymerase-Kettenreaktion zur Hochvermehrung von DNA-Fragmenten auf einem Enzym des extremophilen Thermophilus aquaticus. Island ist seit langem ein Dorado, um nach Mikroorganismen zu suchen, die in der vom Vulkanismus geprägten Landschaft unter extremen Temperaturbedingungen vorkommen.
 

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Die Interaktionen zwischen Pflanzen und parasitischen Oomyceten

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Die erstaunlichen Talente in der Familie Büchner

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