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Neues metallorganisches Gerüst ahmt DNA nach

10.04.2019

Peter G. Boyd/EPFL

SION-19, ein biologisch gewonnenes MOF auf Adeninbasis, wurde verwendet, um Thymin (Thy) Moleküle in den Kanälen durch Wasserstoffbindungswechselwirkungen zwischen Adenin und Thymin zu "fixieren". Nach der Bestrahlung wurden die Thyminmoleküle zu Di-thymin dimerisiert (Thy<>Thy).

Die Materialwissenschaft ist vollgepackt mit "metal-organischen Frameworks" (MOFs), vielseitigen Verbindungen aus Metallionen, die mit organischen Liganden verbunden sind und so ein-, zwei- oder dreidimensionale Strukturen bilden. Es gibt jetzt eine ständig wachsende Liste von Anwendungen für MOF, einschließlich der Trennung von Petrochemikalien, der Entgiftung von Wasser mit Schwermetallen und Fluoridanionen und der Gewinnung von Wasserstoff oder sogar Gold.

Aber vor kurzem haben Wissenschaftler damit begonnen, MOFs herzustellen, die aus Bausteinen bestehen, die typischerweise Biomoleküle bilden, z.B. Aminosäuren für Proteine oder Nukleinsäuren für DNA. Neben dem traditionellen MOF-Einsatz in der chemischen Katalyse können diese biologisch abgeleiteten MOFs auch als Modelle für komplexe Biomoleküle verwendet werden, die schwer zu isolieren und mit anderen Mitteln zu untersuchen sind.

Jetzt hat ein Team von Chemieingenieuren der EPFL Valais Wallis ein neues biologisch gewonnenes MOF synthetisiert, das als "Nanoreaktor" genutzt werden kann - ein Ort, an dem winzige, sonst unzugängliche Reaktionen stattfinden können. Unter der Leitung von Kyriakos Stylianou konstruierten und analysierten Wissenschaftler aus den Labors von Berend Smit und Lyndon Emsley das neue MOF mit Adeninmolekülen - eine der vier Nukleobasen, aus denen DNA und RNA bestehen.

Der Grund dafür war, die Funktionen der DNA nachzuahmen, von denen eine die wasserstoffbindenden Wechselwirkungen zwischen Adenin und einer anderen Nukleobase, Thymin, beinhaltet. Dies ist ein kritischer Schritt bei der Bildung der DNA-Doppelhelix, trägt aber auch zur Gesamtfaltung von DNA und RNA innerhalb der Zelle bei.

Bei der Untersuchung ihres neuen MOF fanden die Forscher heraus, dass Thyminmoleküle in ihren Poren diffundieren. Bei der Simulation dieser Diffusion entdeckten sie, dass Thyminmoleküle mit Adeninmolekülen in den Hohlräumen des MOF wasserstoffgebunden waren, was bedeutet, dass es gelungen war, das nachzuahmen, was auf der DNA passiert.

"Die Adeninmoleküle wirken als strukturlenkende Agenzien und 'fixieren' Thyminmoleküle an bestimmten Positionen in den Hohlräumen unseres MOF", sagt Kyriakos Stylianou. So nutzten die Forscher diese Verriegelung und belichteten das mit Thymin beladene MOF - eine Möglichkeit, eine chemische Reaktion zu katalysieren.

Dadurch konnten die Thyminmoleküle zu einem Di-Thymin-Produkt dimerisiert werden, das die Wissenschaftler isolieren konnten - ein großer Vorteil, da Di-Thymin mit Hautkrebs in Verbindung steht und sich nun leicht isolieren und untersuchen lässt.

"Insgesamt zeigt unsere Studie den Nutzen von biologisch abgeleiteten MOFs als Nanoreaktoren für die Erfassung biologischer Moleküle durch spezifische Wechselwirkungen und deren Umwandlung in andere Moleküle", sagt Stylianou.

Originalveröffentlichung:

Samantha L. Anderson, Peter G. Boyd, Andrzej Gładysiak, Tu N. Nguyen, Robert G. Palgrave, Dominik Kubicki, Lyndon Emsley, Darren Bradshaw, Matthew J. Rosseinsky, Berend Smit & Kyriakos C. Stylianou; "Nucleobase pairing and photodimerization in a biologically derived metal-organic framework nanoreactor"; Nature Communications; Volume 10, Article number: 1612 (2019)

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