image: Frankfurt researchers followed the movements of this tiny molecule - just two-thousandths of the thickness of a piece of paper. The RNA aptamer changes its structure when it binds hypoxanthine. The green nucleobases change shape particularly quickly, the ones coloured blue more slowly. The grey regions do not change. view more
Credit: Goethe University
Wie ein einzelnes Puzzlestück sich in ein Puzzle einfügt, so bindet das Molekül Hypoxanthin an eine Ribonukleinsäure(RNA)-Kette, die daraufhin innerhalb einer Sekunde ihre dreidimensionale Gestalt verändert und so neue Prozesse in der Zelle in Gang setzt. Kaum vorstellbar winzige Strukturveränderungen in Zellen können Wissenschaftler nun dank einer verbesserten Methode verfolgen - und zwar sowohl in ihrem zeitlichen als auch räumlichen Ablauf. Der Arbeitsgruppe um Harald Schwalbe vom Zentrum für Biomolekulare Magnetische Resonanz der Goethe-Universität ist es zusammen mit Wissenschaftlern aus Israel gelungen, die Kernspinresonanz(NMR)-Methode zur Untersuchung von RNA auf das Hunderttausendfache zu beschleunigen.
Dies erlaubt uns erstmalig, die Dynamik von RNA-Strukturänderungen so schnell zu verfolgen, wie sie auch in der Zelle ablaufen", beschreibt Schwalbe diesen wissenschaftlichen Durchbruch und betont: Das Team um Lucio Frydmann vom Weizmann-Institut in Israel hat dazu wesentlich beigetragen."
Die neuartige NMR-Untersuchungen nutzen Wassermoleküle, deren Atome sich in einem Magnetfeld verfolgen lassen. Schwalbe und sein Team erzeugen hyperpolarisiertes Wasser. Dazu setzen sie dem Wasser eine Verbindung zu, die permanent ungepaarte Elektronen-Radikale besitzt. Durch Anregung mit einer Mikrowelle bei -271°C kann man die Elektronen im Magnetfeld ausrichten. Diese unnatürliche Ausrichtung erzeugt eine Polarisation, die auf Polarisation der im NMR eingesetzten Wasserstoffatome bei +36°C übertragen wird. Das so polarisierte Wassermolekül erwärmen sie in wenigen Millisekunden und geben es zusammen mit Hypoxanthin auf die RNA-Kette. Damit können sie auch schnelle chemische Reaktionen und Faltungsänderungen von Biomolekülen auf Atom-Ebene beobachten.
Die Imino-Gruppen in RNA lassen sich mit dieser Methode besonders gut analysieren. Die Wissenschaftler konnten so RNA-Strukturänderungen präzise messen. Sie verfolgten ein kurzes RNA-Stück (Aptamer) aus Bacillus subtilis, das seine Struktur bei der Bindung von Hypoxanthin so ändert, dass die folgenden Boten-RNA (mRNA) nicht mehr abgelesen wird. Derart kleine Änderungen auf Molekülebene steuern viele Prozesse nicht nur in Bakterien, sondern auch in mehrzelligen Lebewesen bis hin zum Menschen.
Die verbesserte Methodik erlaubt es künftig, RNA-Faltungen in Echtzeit zu verfolgen, sogar, wenn sie weniger als eine Sekunde benötigen. Dies ist unter physiologischen Bedingungen möglich, also in flüssiger Umgebung und in natürlicher Molekül-Konzentration bei Temperaturen um 36 Grad Celsius. Der nächste Schritt wird es jetzt sein, nicht nur einzelne, sondern hunderte RNAs zu untersuchen, um die biologisch wichtigen Unterschiede in ihren Faltungsraten bestimmen zu können", so Boris Fürtig aus der Arbeitsgruppe Schwalbe.
Publikation: Mihajlo Novakovic, Gregory L. Olsen, György Pintér, Daniel Hymon, Boris Fürtig, Harald Schwalbe, Lucio Frydman: A 300-fold enhancement of imino nucleic acid resonances by hyperpolarized water provides a new window for probing RNA refolding by 1D and 2D NMR, PNAS, 16. Januar 2020 https://doi.org/10.1073/pnas.1916956117
Ein Bild zum Download finden Sie unter: http://www.uni-frankfurt.de/84996281
Bildtext: Bewegungen dieses Moleküls - ein Zweitausendstel der Dicke eines Papiers klein - verfolgten Frankfurter Forscher. Das RNA-Aptamer ändert seine Struktur, wenn es Hypoxanthin bindet. Besonders schnell verformen sich die grünen Nukleotidbasen, langsamer die blau gefärbten Bereiche. Die grauen Regionen verändern sich nicht.
Informationen: Prof. Dr. Harald Schwalbe, Zentrum für Biomolekulare Magnetische Resonanz, http://www.bmrz.de/, Fachbereich Organische Chemie und Biochemie, Campus Riedberg, Telefon 069 798 29737 bzw. -40258, Email: schwalbe@nmr.uni-frankfurt.de.
Aktuelle Nachrichten aus Wissenschaft, Lehre und Gesellschaft in GOETHE-UNI online (http://www.aktuelles.uni-frankfurt.de)
Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. 1914 mit privaten Mitteln überwiegend jüdischer Stifter gegründet, hat sie seitdem Pionierleistungen erbracht auf den Feldern der Sozial-, Gesellschafts- und Wirtschaftswissenschaften, Medizin, Quantenphysik, Hirnforschung und Arbeitsrecht. Am 1. Januar 2008 gewann sie mit der Rückkehr zu ihren historischen Wurzeln als Stiftungsuniversität ein hohes Maß an Selbstverantwortung. Heute ist sie eine der drei größten deutschen Universitäten. Zusammen mit der Technischen Universität Darmstadt und der Universität Mainz ist die Goethe-Universität Partner der länderübergreifenden strategischen Universitätsallianz Rhein-Main. http://www.goethe-universitaet.de
Herausgeberin: Die Präsidentin der Goethe-Universität Redaktion: Dr. Anke Sauter, Referentin für Wissenschaftskommunikation, Abteilung PR & Kommunikation, Theodor-W.-Adorno-Platz 1, 60323 Frankfurt am Main, Telefon 069 798-13066, Fax 069 798-763-12531, sauter@pvw.uni-frankfurt.de
###
Journal
Proceedings of the National Academy of Sciences