Wasser kann Moleküle zum Leuchten bringen

Bestimmte Moleküle, die fluoreszieren und unter dem Mikroskop sichtbar sind, werden etwa dazu verwendet, um DNA (Desoxyribonukleinsäure) zu untersuchen und nachzuweisen. Diese Marker-Moleküle brauchen aber bestimmte Bedingungen, um zu leuchten – ihre Fluoreszenz ist nicht einfach gegeben, wie in der Forschung bisher angenommen wurde: Sie benötigen dazu Wasser.

Dies hat eine Forschergruppe des Departements für Chemie und Biochemie (DCB) der Universität Bern herausgefunden. Die Fluoreszenz unterscheidet sich zudem je nach Ort, wo das Molekül mit Wasser verbunden wird. Damit sind die zum Beispiel in der Untersuchung von DNA eingesetzten Marker-Moleküle nicht so zuverlässig anwendbar wie bisher angenommen. Das bedingt laut den Berner Forschenden eine Überprüfung der bisherigen Forschungsresultate bei der Untersuchung solcher Fluoreszenzproben.

Leuchtkraft von ganz bestimmten Bedingungen abhängig

Nukleobasen zählen zu den wichtigsten Bestandteilen der DNA und der RNA (Ribonukleinsäure). Wie auch die DNA als Ganzes zeigen die Nukleobasen unter UV-Licht keine Fluoreszenz. Sie sind somit im heute üblichen Fluoreszenzverfahren nicht sichtbar. DNA und RNA können daher mit hoch aufgelösten Mikroskopiemethoden nicht direkt untersucht und nachgewiesen werden.

Seit rund 25 Jahren wird jedoch eine künstlich veränderte Nukleobase eingesetzt, das sogenannte 2-Aminopurin (2AP), das stark fluoresziert. So konnten die DNA und auch RNA indirekt biochemisch, biophysikalisch und genetisch untersucht werden.

Die Berner Forschenden haben nun herausgefunden, dass die Grundannahme, 2-Aminopurin sei wegen seiner Leuchtkraft zuverlässig für DNA- und RNA-Untersuchungen einsetzbar, falsch ist: Ihre Messungen zeigten, dass 2-Aminopurin nicht immer fluoresziert. «Dies hat uns sehr überrascht», sagt der Studienleiter Samuel Leutwyler.

Erst als er und sein Team das 2AP mit einer Mikro-Wasserhülle umgaben, leuchtete es. Sie fanden heraus, dass drei verschiedene Andock-Stellen für Wasser existieren. Diese beeinflussen das Fluoreszenzverhalten von 2AP auf völlig verschiedene Art: Wird ein Wassermolekül auf der einen Seite des 2AP angedockt, leuchtet es nach UV-Einstrahlung nur schwach. An einer anderen Stelle erhöht das Andocken die Fluoreszenz von 2AP 50-fach, während an einer dritten Stelle ein einziges Wassermolekül die Leuchtkraft um fast das 100-fache verstärkt.

Forschungsresultate sind neu zu interpretieren

Das bedingt laut den Forschenden eine Überprüfung der bisherigen Forschungsresultate: «Die Verwendung von 2AP als Fluoreszenzprobe in der Biochemie und Biophysik ist damit nicht grundlegend in Frage gestellt – wohl aber die Interpretation der Resultate der Fluoreszenzuntersuchungen», erklärt Leutwyler. Insbesondere in «wasserarmer» Umgebung, zum Beispiel in DNA-Enzym-Komplexen oder in RNA-Enzymen muss in Zukunft berücksichtigt werden, dass 2AP eine «starke» und eine «schwache» Fluoreszenz-Seite hat.

«Chemiker müssen soziologischer denken»

«Die Ergebnisse zeigen, dass das Fluoreszenzverhalten von 2AP hoch empfindlich ist auf einzelne Wassermoleküle und dass die Zahl und die spezifische Anordnung dieser Wassermoleküle eine grosse Rolle spielen», erklärt Leutwyler. Damit können die Eigenschaften eines Moleküls nicht mehr für sich allein betrachtet werden: «Die Umgebung von Molekülen ändert ihr Verhalten,» sagt Leutwyler. Er schliesst daraus: «Chemiker müssen soziologischer denken. Eigenschaften von Molekülen ändern sich in Abhängigkeit der benachbarten Moleküle.»

Die vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) finanziell unterstützte Studie wurde jetzt in «Nature Chemistry» veröffentlicht.

Angaben zur Publikation:

Simon Lobsiger, Susan Blaser, Rajeev K. Sinha, Hans-Martin Frey, Samuel Leutwyler: Switching on the Fluorescence of 2-Aminopurine by Site-Selective Microhydration, Nature Chemistry, Oktober 2014, DOI: 10.1038/nchem.2086