Neue dynamische Sonden für Ionen in Wechselwirkung mit Biomolekülen

MBI-Wissenschaftler charakterisieren Phosphat-Ionen-Wechselwirkung in Lösung durch 2D-IR-Spektroskopie

Abb. 1: DNA-Doppelhelix in einer Wasserhülle: Die kugelförmigen roten Strukturen auf der Helixoberfläche stellen die Sauerstoffatome der negativ geladenen (PO2-) Gruppen dar, die blauen Kugeln positiv geladene Ionen in der Umgebung. Abb. 2: Oben: Molekulare Struktur eines Kontakt-Ionenpaares aus Dimethylphosphat (DMP) und einem Magnesiumion Mg2+ in Wasser. Unten: Zweidiemnsionale Infrarot- (2D-IR) Spektren der asymmetrischen PO2- Streckschwingung

Ionenpaare aus negativ geladenen Phosphatgruppen und positiven Magnesiumionen sind ein wichtiges Strukturelement von DNA und RNA in wässriger Umgebung. Schwingungen der Phosphatgruppen wurden jetzt als selektive Sonden solcher Kontakt-Ionenpaare etabliert und geben Einblick in Wechselwirkungen und Strukturen auf der ultraschnellen Zeitskala molekularer Dynamik.

DNA und RNA sind geladene Polymere, die genetische Informationen in einer Doppelhelixstruktur kodieren und eine Schlüsselrolle bei der Biosynthese von Proteinen spielen. Ihre negativen Ladungen sind im molekularen Rückgrat angeordnet, das aus ionischen Phosphatgruppen (PO₂^-) und Zuckerringstrukturen besteht (Abb. 1). Eine Stabilisierung der makromolekularen DNA- und RNA-Strukturen erfordert die Kompensation der stark abstoßenden elektrischen Kräfte zwischen den Phosphatgruppen (gleicher Ladung) durch Ionen entgegengesetzter, d.h. positiver Ladung. Hierbei sind Magnesiumionen Mg²⁺ besonders wichtig, da sie über die Stabilisierung der Strukturen hinaus auch externe Bindungspartner erkennen und als katalytische Zentren dienen. Veränderungen der makromolekularen Struktur sind bei Faltungsprozessen mit einer Umordnung der positiven Ionen und der umgebenden Wasserhülle verbunden.

Positive Ionen in der Umgebung von DNA und RNA existieren in unterschiedlichen Geometrien: in sog. Kontakt-Ionenpaaren ist ein positives Ion in direkter räumlicher Nachbarschaft eines Sauerstoffatoms der Phosphatgruppe angeordnet (Abb. 2, oben). Hingegen besteht die sog. äußere Ionenatmosphäre aus positiven Ionen, die durch mindestens eine Schicht von Wassermolekülen von den Phosphatgruppen getrennt sind. Die funktionellen Eigenschaften der verschiedenen Geometrien und ihre Wechselwirkungen sind bisher nur teilweise verstanden. Eine tiefere Einsicht auf molekularem Niveau erfordert hochempfindliche Sonden, welche die verschiedenen Geometrien unterscheiden, ohne sie zu verändern, und ihre Dynamik auf der ultrakurzen Zeitskala molekularer Bewegungen verfolgen können.

In einer kürzlich erschienenen Publikation zeigen Wissenschaftler des Max-Born-Instituts, dass Schwingungsanregungen der Phosphatgruppen empfindliche nichtinvasive Sonden darstellen, mit denen sich Ionengeometrien in einer Wasserumgebung unterscheiden lassen. In den Experimenten wurde Dimethylphosphat (DMP, (CH₃O)₂PO₂^-), ein etabliertes Modellsystem für das DNA- und RNA-Rückgrat, in Wasser mit einem Überschuss von Mg²⁺ Ionen präpariert und mittels nichtlinearer Schwingungsspektroskopie im Femtosekundenzeitbereich untersucht (1 fs = 10^-15 s). Die Experimente beruhen auf zweidimensionaler Infrarot (2D-IR) Spektroskopie – eine ausgereifte und sehr aussagekräftige Methode, um ionische Wechselwirkungen und Geometrien zu studieren.

In den Experimenten werden Mg²⁺ Ionen in direktem Kontakt mit einer PO₂^- Gruppe erstmals durch eine neue separate Bande im 2D-IR Spektrum nachgewiesen (Abb. 2, unten). Die Kopplung an das Mg²⁺ Ion verschiebt die asymmetrische PO₂^- Streckschwingung zu einer höheren Frequenz als in Abwesenheit von Magnesiumionen. Die Linienform und die zeitliche Entwicklung der neuen Bande machen Fluktuationen der Ionenpaar-Geometrie und der umgebenden Wasserhülle auf der Zeitskala einiger hundert Femtosekunden sichtbar, während die Paargeometrie selbst für viel längere Zeit erhalten bleibt (∼10^-6 s). Eine genaue theoretische Analyse zeigt, dass die subtile Balance zwischen anziehenden elektrischen (Coulomb) Kräften und abstoßenden Kräften, die von der quantenmechanischen Austauschwechselwirkung herrühren, die Frequenzposition der Phosphatschwingung bestimmen.

Mit der Charakterisierung der kurzreichweitigen Phosphat-Ionen-Wechselwirkung in Lösung durch 2D-IR Spektroskopie steht ein neuartiges analytisches Werkzeug zur Verfügung, das statische Techniken der Strukturaufklärung erweitert. Eine Anwendung dieses neuen Konzepts auf DNA und RNA und ihre ionische Umgebung erscheint vielversprechend und wird zur Aufklärung der Mechanismen beitragen, die Biomoleküle im Gleichgewicht stabilisieren und Faltungsprozesse treiben.

Publikation:
Jakob Schauss, Fabian Dahms, Benjamin P. Fingerhut, Thomas Elsaesser: Phosphate-magnesium ion interactions in water probed by ultrafast two-dimensional infrared spectroscopy.
J. Phys. Chem. Lett. 10, 238-243 (2019). DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b03568

Kontakt:

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)

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