Sie haben die Form einer verdrehten Strickleiter – doch was hält die „Datenträger des Lebens“ in dieser typischen Form? Wissenschaftlern ist es nun erstmals gelungen, die sogenannte Stapelkraft zu messen, welche die DNA-Doppelhelix stabilisiert. Die Ergebnisse sind nicht nur aus biologischer Sicht interessant. Sie könnten auch dabei helfen, molekulare Maschinen aus DNA zu konstruieren, sagen die Forscher.

Seit etwa 60 Jahren ist die Struktur der Desoxyribonukleinsäure (DNA) bekannt: Die Basenpaare Guanin und Cytosin sowie Thymin und Adenin bilden die Sprossen einer Strickleiter-Struktur, die spiralförmig gedreht ist. „Es gibt im Grunde zwei Typen von Wechselwirkungen, welche die Doppelhelices stabilisieren“, erklärt Hendrik Dietz von der Technischen Universität München. Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den  Basenpaaren spielen dabei eine Rolle, aber auch die sogenannten Basenpaar-Stapelwechselwirkungen, die zwischen den aufeinandergestapelten Basenpaaren entlang der Spiralachse wirken. „Bisher ist eigentlich nicht klar, mit welchen Anteil diese beiden Kräfte jeweils zur gesamten Stabilität der DNA-Doppelhelix beitragen“, erklärt der Biophysiker.

Ihm und seinen Kollegen ist es nun durch ein speziell entwickeltes Messsystem gelungen, die extrem feinen Kontakt-Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Molekülen in der DNA-Doppelhelix zu messen. Es basiert auf Spitzen, an denen sich Doppelhelix-Strukturen befinden, die mit einem Systm aus optischen Laserpinzetten verknüpft sind. Letztlich ist es damit möglich, die Stapelkräfte zu messen, die zwischen den Basenpaar-Strukturen in der DNA wirken.

Feine aber fundamentale Kräfte

Wie die Forscher berichten, liegen die gemessenen Kräfte im Bereich von Piconewton. „Ein Newton ist die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade“, erklärt Dietz. „Wir reden von einem 1000-Millardstel Anteil davon, das ist wirklich wenig.“ Kräfte im Bereich von nur zwei Piconewton reichen den Ergebnissen zufolge bereits aus, um durch Stapelwechselwirkungen erzeugte Bindungen zu trennen. Die Wissenschaftler haben außerdem festgestellt, dass die Bindungen immer wieder innerhalb weniger Millisekunden zerfallen und sich dann wieder neu bilden. Wie lange sie halten und wie stark die Bindungen sind, hängt dabei maßgeblich davon ab, welche Basenpaare aufeinander gestapelt sind.

Den Forschern zufolge können die Ergebnisse nun dabei helfen, mechanische Aspekte von biologischen Prozessen, wie etwa bei der Vervielfältigung des Erbguts, besser zu verstehen. Die geringe Lebensdauer der Stapelwechselwirkung könnte dabei beispielsweise eine wichtige Rolle spielen: Ein Enzym, das bei der DNA-Replikation die Basenpaare lösen soll, muss demnach möglicherweise nur darauf warten, dass sich die Stapelbindungen von alleine lockern, anstatt sie aktiv zu trennen.

DNA als Baumaterial für DNA-Maschinen

Die Ergebnisse sollen Dietz und seinen Kollegen nun allerdings auch bei ihrer Konstruktions-Arbeit helfen: Sie nutzen DNA als programmierbares Baumaterial, um molekulare Maschinen zu entwickeln. „Wenn wir ein besseres Verständnis der molekularen Wechselwirkungen haben, können wir natürlich besser mit den Molekülen bauen“, sagt Dietz. Momentan arbeiten die Forscher an einem molekularen Rotations-Motor aus DNA, dessen Komponenten über Stapelbindungen ineinandergreifen und zusammengehalten werden. Das Ziel der Forscher ist, ihren DNA-Konstruktionen durch chemische oder thermische Impulse eine gerichtete Rotation zu verpassen.