In Jeddah haben Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) den Moment eingefangen, in dem DNA beginnt sich zu entwinden, was alle nachfolgenden Ereignisse der DNA-Replikation ermöglicht.
Wie die staatliche Nachrichtenagentur SPA berichtete, wurde die Studie in Nature veröffentlicht. Die Beobachtung beleuchtet die grundlegenden Mechanismen, die es Zellen ermöglichen, ihr genetisches Material zu duplizieren, was für Wachstum und Fortpflanzung essenziell ist.
Einsatz von Kryo-Elektronenmikroskopie und Deep Learning
Das Forschungsteam unter der Leitung von Assistant Professor Alfredo De Biasio und Professor Samir Hamdan nutzte Kryo-Elektronenmikroskopie (cryo-EM) sowie Deep-Learning-Techniken. Sie untersuchten die Interaktion des Helicase-Enzyms Simian Virus 40 Large Tumor Antigen mit der DNA. Die Forschung lieferte die detaillierteste Beschreibung der ersten Schritte der DNA-Replikation und beschrieb 15 atomare Zustände, die zeigen, wie die Helicase die DNA zum Entwinden zwingt.
Die Helicasen fungieren als Nanomaschinen, die nach der Bindung die DNA schmelzen und die chemischen Bindungen der Doppelhelix brechen. Anschließend ziehen sie die beiden Stränge auseinander, damit andere Enzyme die Replikation abschließen können. Ohne diesen ersten Schritt kann keine DNA repliziert werden.
Die Studie ergab, dass der Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) die physischen Einschränkungen reduziert, wodurch die Helicase entlang der DNA fortschreiten und den Doppelstrang zunehmend entwinden kann. Der ATP-Verbrauch wirkt dabei wie ein Schalter, der die Entropie, also die Unordnung im System, erhöht und die Helicase zur Bewegung befreit.
Alfredo De Biasio erklärte, dass die Helicase ATP nicht nutzt, um die DNA in einer einzigen Bewegung auseinanderzureißen, sondern um konformative Änderungen zu durchlaufen, die die Stränge progressiv destabilisieren und trennen.
Welche Methoden nutzten die KAUST-Forscher für ihre Beobachtungen? Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Samir Hamdan und Assistant Professor Alfredo De Biasio setzte Kryo-Elektronenmikroskopie (cryo-EM) sowie Deep-Learning-Techniken ein. Diese Methoden ermöglichten es den Wissenschaftlern, die Interaktion des Helicase-Enzyms Simian Virus 40 Large Tumor Antigen mit der DNA auf atomarer Ebene zu beobachten und 15 spezifische atomare Zustände der DNA-Entwindung zu beschreiben.
Welche Rolle spielt ATP bei der DNA-Replikation laut der Studie? Adenosintriphosphat (ATP) fungiert als eine Art Schalter im System. Durch den Verbrauch von ATP werden physische Einschränkungen reduziert, was die Entropie beziehungsweise die Unordnung im System erhöht. Dies befreit die Helicase, sodass sie entlang der DNA fortschreiten kann, wobei sie konformative Änderungen durchläuft, um die Stränge der Doppelhelix progressiv zu destabilisieren und voneinander zu trennen.
Warum ist die Funktion der Helicase für Zellen so wichtig? Helicasen wirken als Nanomaschinen, die die chemischen Bindungen der DNA-Doppelhelix brechen und die beiden Stränge auseinanderziehen. Dieser Prozess ist der erste notwendige Schritt der DNA-Replikation, da erst dadurch anderen Enzymen der Zugang ermöglicht wird, die Replikation abzuschließen. Ohne diese initiale Entwindung könnte die Zelle ihr genetisches Material nicht duplizieren, was für Wachstum und Fortpflanzung unerlässlich ist.