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Knoten wandern im Erbmolekül

Wie sich verschlungene DNS-Moleküle von selbst entwinden

Von Rainer Scharf
 
Der Träger der Erbinformation, die fadenförmige Desoxyribonukleinsäure (DNS), ist im Zellkern auf engstem Raum zusammengeknäuelt. Da kommt es häufig vor, daß sich das DNS-Molekül von selbst verknotet. Es würde sich immer stärker verheddern, wenn nicht bestimmte Enzyme, die sogenannten Topoisomerasen, diese Knoten wieder auflösten. Doch wie ist das möglich? Forscher vom California Institute of Technology in Pasadena sind dieser Frage jetzt nachgegangen und haben die Eigenschaften der Knoten im DNS-Molekül unter Laborbedingungen genauer untersucht.

Für ihre Experimente benutzen Stephen Quake und seine Kollegen einzelne DNS-Abschnitte, die etwa ein zwanzigstel Millimeter lang waren und sich in einem zähflüssigen Lösungsmittel befanden. In diese Molekülfäden knüpften die Forscher unterschiedlich komplexe Knoten. Dazu bedienten sie sich eines Verfahrens, das japanische Wissenschaftler vor vier Jahren ersonnen hatten.

Zunächst wurden an den beiden Enden eines DNS-Stücks zwei mikrometergroße Polystyrolkugeln befestigt, auf die man dann zwei Laserstrahlen richtete. Auf die Kugeln wirkte eine elektrische Kraft, die sie dorthin zog, wo die Lichtintensität am größten war. Auf diese Weise ließen sich die beiden Kugeln wie mit zwei Pinzetten festhalten und nach Belieben umherbewegen. So haben die Forscher den DNS-Faden zunächst zu einer Schlaufe gebogen und dann ein Fadenende ein- oder mehrmals durch die Schlaufe gezogen. Den Vorgang verfolgten sie fortwährend durch ein Mikroskop. Als der Knoten fertig geschnürt war, zogen die Forscher ihn mit den optischen Pinzetten so stramm sie konnten. Sie mußten feststellen, daß er sich aber nicht ganz festzurren ließ. Die elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen gleich geladenen Stücken eines Strangs verhinderten dies. Daher blieb der Knoten stets locker und beweglich.

Wurden die Enden des DNS-Fadens mit der Laserpinzette festgehalten, begann der Knoten aufgrund der Wärmebewegung der Atome des DNS-Moleküls von selbst langsam entlang des Strangs zu wandern. Dabei bewegte er sich in völlig unvorhersehbarer Weise mal in die eine, mal in die andere Richtung und entfernte sich so im Laufe der Zeit immer weiter von seinem Ausgangspunkt. Wie Quake und seine Kollegen in der Zeitschrift "Physical Review Letters" (Bd. 91, Nr. 265506) berichten, kamen einfache Knoten schneller voran als jene, die mehrfach verschlungen waren. Allen Knoten wäre es schließlich gelungen, sich zu entwirren den einfachen entsprechend leichter als den komplizierteren , wenn die Poylstyrolkugeln an den Fadenenden dem nicht im Wege gestanden hätten.

Die Topoisomerase-Enzyme spielten dabei keine Rolle. Die amerikanischen Forscher hoffen, auch etwas über die Eigenschaften von besonders dicht gepackten DNS-Molekülen zu lernen, wie sie zum Beispiel in Viren vorliegen. Zudem wollen Quake und seine Kollegen studieren, auf welche Weise es den Topoisomerasen gelingt, Knoten von unterschiedlicher Komplexität im Zellkern aufzulösen. 

Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 19.01.2004, Nr. 15 / Seite 28

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