Nye dynamiske sonder til ioner, der interagerer med biomolekyler

Par af negativt ladede fosfatgrupper og positive magnesiumioner repræsenterer et centralt strukturelt træk ved DNA og RNA indlejret i vand. Vibrationer af fosfatgrupper er nu blevet etableret som selektive prober af sådanne kontaktpar og giver mulighed for en kortlægning af interaktioner og struktur på de ultrahurtige tidsskalaer for molekylær dynamik.

DNA og RNA er ladede polymerer, der koder for genetisk information i en dobbelt helixstruktur og fungerer som nøglespiller i biosyntesen af ​​proteiner. Deres negative ladninger er placeret i den molekylære rygrad, som består af ionisk fosfat (PO ^2- ) og af sukkergrupper (figur 1). Stabilisering af de makromolekylære strukturer af DNA og RNA kræver en kompensation af stærke frastødende elektriske kræfter mellem de ligeligt ladede fosfatgrupper med ioner af modsatte, dvs. positiv ladning. I denne sammenhæng, magnesium (Mg ²⁺ ) ioner er særligt relevante, da de ikke kun stabiliserer strukturen, men også medierer genkendelsen af ​​eksterne bindingspartnere og fungerer som katalytiske centre. I øvrigt, ændringer af makromolekylær struktur via dynamiske foldningsprocesser er forbundet med en omlejring af positive ioner indlejret i den omgivende vandskal.

Positive ioner er arrangeret i forskellige geometrier omkring DNA og RNA:i såkaldte site-bundne eller kontakt-par geometrier, en positiv ion er placeret i direkte kontakt med et oxygenatom i en fosfatgruppe. I modsætning, den såkaldte ydre ionatmosfære består af positive ioner adskilt af mindst et lag af vandmolekyler fra fosfatgrupperne. Den funktionelle rolle af de forskellige geometrier og de underliggende interaktioner er langt fra at blive forstået. En dybere indsigt på molekylært niveau kræver meget følsomme prober, som gør det muligt at skelne de forskellige iongeometrier uden at forstyrre dem, og for at kortlægge deres dynamik på den ultrahurtige tidsskala for molekylære bevægelser.

I en nylig udgivelse, forskere fra Max Born Institute (MBI) viser, at vibrationer af fosfatgrupper repræsenterer følsomme og ikke-invasive sonder af iongeometrier i et vandmiljø. Dimethylphosphat (DMP, (CH ³ O)2PO ^2- ), et etableret modelsystem for DNA- og RNA-rygraden, blev fremstillet i flydende vand med et overskud af Mg ²⁺ ioner (figur 2, top) og studeret ved ikke-lineær vibrationsspektroskopi i femtosekundtidsdomænet (1 fs =10 ^-15 s). Forsøgene gør brug af todimensionel infrarød (2-D-IR) spektroskopi, en mest sofistikeret metode til at analysere de ioniske interaktioner og strukturer på den iboende tidsskala af fluktuerende molekylære bevægelser.

Forsøgene kortlægger Mg ²⁺ ioner i direkte kontakt med en PO ^2- gruppe via en særskilt funktion i 2-D-IR-spektret (figur 2, bund). Interaktionen med Mg ²⁺ ion forskyder den asymmetriske PO ^2- strække vibrationer til en frekvens, der er højere end i fravær af Mg ²⁺ ioner. Linjeformen og tidsudviklingen af ​​denne nye funktion afslører fluktuationer i kontaktionparrets geometri og den indlejrede vandskal på en tidsskala på hundredvis af femtosekunder, mens selve kontaktparret eksisterer i meget længere tid (~10 ^-6 s). En dybdegående teoretisk analyse viser, at den subtile balance mellem attraktive elektrostatiske (Coulomb) kræfter og frastødende kræfter på grund af den kvantemekaniske udvekslingsinteraktion styrer fosfatvibrationens frekvensposition.

Evnen til 2-D-IR spektroskopi til at karakterisere den kortgående fosfat-ion-interaktion i opløsning giver et nyt analytisk værktøj, der komplementerer de nuværende tilgængelige strukturelle teknikker. En udvidelse af denne nye tilgang til DNA og RNA og deres ioniske miljø er mest lovende og forventes at give ny indsigt i de kræfter, der stabiliserer ligevægtsstrukturer og driver foldningsprocesser.