Neue Techniken zur Erforschung der Reparatur von gebrochener DNA
Das Verständnis vom DNA-Reparaturprozess ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von wirksamen Therapien. Die Wissenschaftler des Projekts SM-DNA-REPAIR (New single-molecule techniques and their application in the study of DNA break repair) Projekt entwickelt biophysikalischen Instrumente und Techniken, um die Echtzeit-Dynamik der DNA-Reparatur auf der Einzelmolekülebene sichtbar zu machen. Die Forscher konzentrierten sich auf die AddAB-Helikase-Nuklease und den SMC-Komplex der strukturellen Erhaltung von Chromosomen aus Bacillus subtilis. Diese Komplexe sind an DNA-Reparatur beteiligt und helfen dabei, die Genomintegrität aufrecht zu erhalten. Etwaige Störungen in ihrer Funktion können zu lebensbedrohlichen Krankheiten führen. Bereits im ersten Teil des Projekts wurden wichtige Meilensteine erreicht. Die Wissenschaftler bauten eine optische und magnetische Pinzette mit einem optischen Mikroskop, einer CCD-Kamera und magnetischen Kügelchen. Dieses System wurde verwendet, um die Dynamik der AddAB-Translokation und die entscheidende Rolle von regulatorischen Sequenzen bei der Bruchresektion von doppelsträngiger DNA zu bestimmen. Insbesondere lieferten die Studien neue Einblicke in die Mechanismen der Chi (Crossover-Hotspot-Instigator)-Erkennung, bei denen es sich um spezifische Rekombinations-Hotspot-Sequenzen handelt. Die Ergebnisse wurden 2011 in Molecular Cell und 2013 in PNAS veröffentlicht. Die Mitglieder von SM-DNA-REPAIR studierten auch DNA-Protein-Wechselwirkungen auf der Einzelpartikelebene, nachdem sie das Setup einer optischen Pinzette mit Video-Mikroskopie und Lasern entwickelt hatten. Damit konnten die Forscher die Kräfte bei Einzel-Biotin-Streptavidin-Wechselwirkungen bestimmen und die Kraft-Dehnungskurven von doppelsträngiger DNA und RNA messen. Die Ergebnisse wurden im Jahr 2013 in JACS veröffentlicht. Die Forscher modifizierten erfolgreich ein kommerzielles Atomkraftmikroskop (AFM) für das DNA-Imaging in flüssigem Puffer und Luft mit einer beeindruckenden Bildrate. Mit diesem System konnten die Forscher ein tieferes Verständnis der AddAB-Resektionsreaktion sowie der Stöchiometrie von Proteinkomplexen wie SMC erhalten. Das das Know-how in AFM-Bildgebung erwies sich als von unschätzbarem Wert in mehreren Forschungskooperationen mit den Ergebnissen in vielen High Auswirkungen Peer-Review-Zeitschriften veröffentlicht. Die Themen umfassten die Dynamik von doppelsträngiger RNA, Nanostrukturcharakterisierung und Peptid-Bindung an DNA. Die Tools und Methoden von SM-DNA-REPAIR eignen sich für Anwendungen, die weit über die Untersuchung von an der DNA-Reparatur beteiligten Mechanismen hinaus gehen. Diese Tools könnten sich von unschätzbarem Wert für das Gewebe-Engineering, das Protein-Engineering sowie die Entwicklung von Medikamenten und Biomaterialien erweisen. Darüber hinaus können sie auch für Forschungen zur Verbesserung der Ernährungssicherheit durch eine bessere Pflanzenzucht und Tierhaltung angepasst werden.
Schlüsselbegriffe
DNA-Bruchreparatur, biophysikalisch, AddAB, SMC, magnetische Pinzette, Chi, optische Pinzette, AFM