Adressierung und Strukturierung von Biomolekülen auf der Nanometer-Skala

Im Rahmen dieser Arbeit werden Nanostrukturen aus biologischen
Molekülen untersucht, sowie neue Methoden zur Strukturierung
biologischer Systeme im nanoskaligen Bereich entwickelt und
vorgestellt. Neben selbstorganisierten und enzymatischen Prozessen,
wie sie bei der Strukturbildung biologischer Systeme eine
wesentliche Rolle spielen, wird insbesondere auch eine neuartige
Methode der gerichteten enzymatischen Hydrolyse biologischer
Membranen, die eine gezielte Strukturierung im Nanometerbereich
ermöglicht, vorgestellt. Vor dem Hintergrund, daß die Natur mit
Polynucleinsäuren extrem vielseitige, universell einsetzbare und
chemisch sowie molekularbiologisch sehr gut handhabbare molekulare
Bausteine für den selbstorganisierten Aufbau hochintegrierter
Nanoarchitekturen zur Verfügung stellt, werden ferner die
grundlegenden Mechanismen und Kräfte der molekularen Erkennung bei
der DNA-Basenpaarung sowie die mechanische Stabilität der DNA-
Doppelhelix untersucht. - Durch kraftmikroskopische Untersuchungen
an einer binären Mischung aus Dipalmitoyl- Phosphatidylcholin
(DPPC) und Diarachidoyl-Phosphatidylcholin (DAPC) konnte erstmals
die laterale Struktur von binären Lipidmischungen in
Lipiddoppelschichten direkt bestimmt werden. Es konnte gezeigt
werden, daß diese biologisch wichtigen Lipide in
Lipiddoppelschichten spontan Domänen mit einer chrakteristischen
Größe von etwa 10 nm bilden. Ein Vergleich der Ergebnisse der
kraftmikroskopischen Untersuchungen mit denen von
Neutronendiffraktionsexperimenten zeigte eine hervorragende
Übereinstimmung der mit diesen beiden komplementären Techniken
bestimmten mittleren Domänenabstände. - Untersuchungen des
enzymatischen Abbaus von Lipidmembranen durch das lipolytische
Enzym Phospholipase A2 (PLA2) erlaubten erstmals Einblicke in die
Aktivität dieser Enzyme auf der Einzelmolekülebene. Es konnte
gezeigt werden, daß die Enzymaktivität stark von den physikalischen
Eigenschaften der Membran abhängig ist und daß Membranen in der
Gel-Phase ausschließlich von Membrandefekten her und entlang der
Hauptachsen des Molekülkristalls hydrolysiert werden, während die
Hydrolyse flüssigkristalliner Membranen im wesentlichen isotrop
verläuft. Die am freien Enzym gewonnenen Erkenntnisse konnten dann
in einem nächsten Schritt zur Entwicklung einer neuartigen
gerichteten Hydrolyse von Lipidmembranen genutzt werden, bei der
mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops gezielt Defekte in
kristallin gepackten Membranen induziert werden, und die Membranen
dann durch das Enzym an Stellen mit diesen künstlichen
Packungsdefekten hydrolysiert wird. Auf diese Weise konnten
künstliche Strukturen in festkörpergestützten Membranen mit
minimalen Strukturdurchmessern von bis zu 10 nm erzeugt werden. -
Mit Hilfe von kraftspektroskopischen Untersuchungen an einzelnen
DNA-Molekülen konnte erstmals ein neuartiger kraftinduzierter
Schmelzübergang, der je nach Kraftladungsrate, Umgebungsbedingungen
und DNA-Sequenz und Topologie zwischen einigen Piconewton (pN) und
etwa 300 pN stattfindet, nachgewiesen werden. Durch Variation von
Kraftladungsrate, Ionenstärke, Umgebungstemperatur und DNA-Sequenz
konnte gezeigt werden, daß die mechanische Energie die unter
Gleichgewichtsbedingungen bis zum kraftinduzierten Schmelzen in der
DNA-Doppelhelix deponiert werden kann, hervorragend mit der freien
Basenpaarungsenthalpie ∆Gbp der entsprechenden DNA- Sequenz unter
den jeweiligen Umgebungsbedingungen übereinstimmt. Es konnte
gezeigt werden, daß sich mit Hilfe der Temperaturabhängigkeit der
mechanischen Stabilität von DNA die thermodynamischen Größen ∆Hbp
und ∆Sbp von DNA direkt aus Kraftexperimenten an einzelnen
Molekülen bestimmen lassen. Schließlich konnten die
Basenpaarungskräfte von DNA erstmals sequenzspezifisch bestimmt
werden. Die zum reißverschlußartigen Aufbrechen einer
GC-Basenpaarung nötigen Kräfte betragen demnach 20±3 pN, die zum
Aufbrechen einer AT-Basenpaarung nötigen Kräfte 9±3 pN. Auch hier
konnte eine sehr gute Übereinstimmung der zum Aufbrechen der
Basenpaarungen nötigen mechanischen Energie mit der freien
Basenpaarungsenthalpie ∆Gbp festgestellt werden.