Erweiterung des genetischen Alphabets

14.06.2012: Die Konstanzer Wissenschaftlerin Karin Betz hat in einer internationalen Kooperation mit dem Scripps Research Institute in Kalifornien (USA) ihre Forschungsergebnisse in „Nature Chemical Biology“ veröffentlicht. Die Nachwuchswissenschaftlerin stellt in ihrer Veröffentlichung mit Denis A. Mayshev aus den USA die Kristallstruktur einer DNA-Polymerase beim Einbau eines artifiziellen Basenpaares vor.

In dem Bestreben, das natürliche genetische Alphabet künstlich zu erweitern, wurden in den letzten Jahren von verschiedenen Arbeitsgruppen artifizielle Basenpaare mit unterschiedlicher Struktur und Paarungseigenschaften synthetisiert und auf ihren Einbau durch DNA-Polymerasen getestet. Ein vielversprechendes künstliches Basenpaar, das von Polymerasen erfolgreich in einen DNA-Strang eingebaut werden kann, wurde von einer Forschergruppe um Floyd E. Romesberg, PhD, am Scripps Research Institute in Kalifornien gefunden.

Dieses hydrophobe Basenpaar paart nicht wie ein natürliches Basenpaar über Wasserstoffbrücken, sondern hauptsächlich durch hydrophobe- und Stapelwechselwirkungen. In freier DNA zeigt das Basenpaar eine interkalierende, also übereinander liegende Struktur, von der ausgehend dessen Einbau in eine DNA-Polymerase schwer vorstellbar ist. In der nun veröffentlichten Strukturanalyse belegt die internationale Forschergruppe, dass die DNA-Polymerase selbst die Replikation des synthetischen Basenpaares unterstützt, indem sie das Basenpaar zwingt, genau gleich zu paaren wie das natürliche Basenpaar: in einer Watson-Crick-Geometrie.

Die Wissenschaftler konnten belegen, dass das Paar in freier DNA aufeinander liegt und erst im aktiven Zentrum der Polymerase planar angeordnet wird. Dafür wurde das von der Arbeitsgruppe Romesberg gefundene künstliche Basenpaar an der Universität Konstanz durch Karin Betz analysiert. Um herauszufinden, wie die Polymerase das Basenpaar einbaut, wurde der Protein-DNA-Komplex in Konstanz zunächst kristallisiert und der Kristall anschließend mit Röntgenstrahlen behandelt. Aus den dadurch entstehenden Beugungsbildern konnte die Kristallstruktur berechnet und somit die genaue 3D-Struktur des Proteins abgebildet werden.

Originalveröffentlichung:
K. Betz, D. A. Malyshev, T. Lavergne, W. Welte, K. Diederichs, T. J. Dwyer, P. Ordoukhanian, F. E. Romesberg, A. Marx; “KlenTaq polymerase replicates unnatural base pairs by inducing a Watson-Crick geometry”; Nature Chem. Biol. 2012, 2012.