Description
In den letzten Jahren haben nicht-Watson-Crick-artige Nukleotidbasenpaarbindungen in der wissenschaftlichen Gemeinde für Aufsehen gesorgt. Ein spezieller Vertreter ist die sog. G-Quadruplex-DNA-Struktur, welche sich typischerweise durch Guanin-Guanin-Bindungen auszeichnet.
Die biochemische Funktion ist noch nicht vollständig verstanden, allerdings wird ein enger Zusammenhang mit dem Auftreten dieser Sequenz im Rahmen von Zellalterungsphänomenen wie Apoptose und dem Auftreten von Krebserkrankungen vermutet.
Durch strukturbestimmende Aufklärungsmethoden wie NMR konnten verschiedene G-Quadruplex-Strukturen, wie z. B. Basket- oder auch Propellerstrukturen ermittelt werden, wobei noch nicht klar ist, was das Auftreten einer jeweiligen Konformation begünstigt. Als gesichertes Wissen hinsichtlich dieser Strukturen ist allerdings festzustellen, dass vielfach interkalierende Metallionen wie Natrium oder Kalium die Stabilität beeinflussen können. Hierbei treten die Kationen als Vermittler zwischen den Guanin-Guanin-Bindungen auf, wobei die Grösse der Metallionen eine entscheidende Rolle spielt. In dem geplanten Projekt sollen mittels verschiedener Methoden wie z. B. anhand von Metadynamik die freien Energielandschaften bei der Entfaltung verschiedener G-Quadruplexstrukturen berechnet werden.
Unter Einbeziehung dieser Techniken, wie sie z. B. auch bei der Untersuchung von DNA i-Motiven benutzt wurden, können stabile Strukturen ermittelt werden, wobei der Zusammenhang zwischen den oben erwähnten Propeller- und Basket-Strukturen detaillierter untersucht werden kann. Desweiteren sollen die Nudged Elastic Band-Methode im Zusammenhang mit Umbrella-Integration herangezogen werden, um die jeweiligen Entfaltungspfade systematischer zu untersuchen und um ein tieferes Verständnis der dynamischen Vorgänge bei der Entfaltung zu erzielen. Ein Vergleich mit Hochtemperatursimulationen kann schlussendlich Einblicke in die möglichen Übergänge zwischen den Konformationen erlauben, wobei insbesondere auch die im SFB 716 vorhandenen Visualisierungstechniken mitbenutzt werden sollen.
Als ein weiterer wichtiger Punkt soll die Stabilität der G-Quadruplexe im Hinblick auf die Präsenz von Metallkationen und Osmolyten als auch der enthalpischen und entropischen Beiträge des Lösungsmittels analysiert werden. Gerade für Osmolyte wie Harnstoff, welche in hohen Konzentrationen auf Proteine denaturierend wirken, stellt sich die Frage, wie die Anwesenheit dieses kompatiblen Soluts sich auf die Stabilität von DNA-Strukturen auswirkt.