Wie DNA dem UV-Licht trotzt

Das genetische Material der DNA enthält Schutzmechanismen, um sich vor dem UV-Licht der Sonneneinstrahlung zu schützen. Dies ist wichtig, da es sonst zu einer raschen Zersetzung von DNA und RNA kommen würde. Wiener Wissenschaftler haben nun erstmals die ultraschnellen Prozesse der Fotostabilität – der „programmierten“ Abwehr der UV-Einwirkung – umfassend dargestellt. Sie berichten über diese jetzt in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” (PNAS).

Die Wirkung des Sonnenlichtes auf unsere Haut führt nicht nur zur erwünschten Bräunung, die das Urlaubsgefühl wohltuend verstärkt, sondern es werden dabei auch Prozesse in Gang gesetzt, die zu schwerwiegenden gesundheitlichen Schädigungen führen können.

Einfache Strategie

Ein Forscherteam um Professor Hans Lischka vom Institut für Theoretische Chemie der Universität Wien untersucht, welche Schutzmechanismen die Natur vorgesehen hat, um sich vor derartigen schädlichen Einwirkungen zu schützen.

Die Strategie dabei ist einfach und doch hochkomplex: Wenn das UV-Licht die Elektronen in ein höheres Energieniveau bringt, kehren diese ultraschnell in den Ausgangszustand zurück. Dabei wird elektronische Energie in Wärme umgewandelt. Dieser Prozess läuft in einer unvorstellbar kurzen Zeitdimension ab, in bis zu einer Billiardstel Sekunde.

Computersimulationen enthüllen Eigenschaften der lichtaktiven DNA- Bestandteile

Im Team von Lischka wurde nun gemeinsam mit Mario Barbatti, heute Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, und in Zusammenarbeit mit Kollegen der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag mit innovativen Computersimulationen ein anschauliches, dynamisches Bild der Fotostabilität der Nukleobasen gezeichnet.

Damit haben die Forscher zur Klärung dieses komplexen Netzwerks von ultraschnellen Prozessen beigetragen. Sie konnten darstellen, wie sich die DNA-Bestandteile – die Nukleotide, die in DNA und RNA für die Ausbildung von Basenpaaren verantwortlich sind – unter UV-Bestrahlung gegen Zersetzung schützen.

Neue Methode der Quantenchemie für fotophysikalische Untersuchungen

Das wichtigste Resultat dieser neuen Studie liegt in der detailgetreuen Berechnung der Kopplung der Bewegungen der Elektronen mit jener der Atomkerne. Dies gelang dank der am Institut für Theoretische Chemie der Uni Wien entwickelten und weltweit einzigartigen Methoden der Quantenchemie. Die berechneten Bewegungszustände der Nukleobasen zeigen den Wissenschaftlern zufolge ein äußerst bemerkenswertes dynamisches Zeitverhalten, das sich innerhalb mehrerer Größenordnungen – vom Pico/Billionstel- bis Femto/Billiardstel-Sekunden-Bereich – erstreckt.

Die neu entwickelten Methoden sind nach Angaben der Forscher jedoch nicht nur zur Aufklärung der eben beschriebenen Dynamik in DNA-Nukleobasen geeignet, sondern sie werden auch zur Untersuchung fotophysikalischer Vorgänge in der DNA selbst und in technologisch bedeutsamen Gebieten der Fotovoltaik eingesetzt. Mit den neuen Methoden lassen sich grundlegende Prozesse des Transportes von elektronischer Anregungsenergie und der Ladungstrennung zur Stromgewinnung besser verstehen.

(idw – Universität Wien, 30.11.2010 – DLO)