Fakultät für Chemie und Pharmazie

UV-Photoschäden: Im kritischen Zustand gefangen

UV-Strahlung führt zu chemischen Reaktionen bei DNA und RNA, wodurch Schäden in der Erbinformation entstehen können. LMU-Forscher um Regina de Vivie-Riedle haben nun am Beispiel der Nukleinbase Uracil mit Hilfe von Simulationen gezeigt, wie sich die molekularen Vorgänge gezielter untersuchen lassen (Grafik: psdesign1 / Fotolia.com

Molekulare Bewegung lässt sich mit geformten Lichtfeldern steuern. LMU-Forscher nutzen dieses Konzept um für die RNA-Base Uracil Strategien zu entwickeln, die einen spektroskopischen Zugang zum RNA-Photoschaden vereinfachen.

 

LMU-Forscher um Regina de Vivie-Riedle, Professorin für Theoretische Chemie an der LMU, haben ein Modell entwickelt, mit dem sich die photochemische Reaktion bei UV-Strahlung auf die Ribonukleinsäure (RNA) gezielt untersuchen lässt. UV-Strahlung führt zu chemischen Reaktionen bei DNA und RNA, wodurch Schäden in der Erbinformation entstehen können. Um den molekularen Mechanismus bei der Entstehung solcher Photoschäden aufzuklären, wird die Dynamik isolierter RNA-Nukleinbasen in zahlreichen Studien mit kurzen Laserpulsen untersucht. Dabei erschwert ein Schutzmechanismus der Natur die Arbeit: Die durch Licht angeregten Moleküle geben die Energie sehr schnell wieder ab. „Das minimiert das Risiko für Photoschäden, zugleich lässt sich der Zustand dadurch aber schlecht spektroskopisch charakterisieren“, erklärt Daniel Keefer aus der Arbeitsgruppe von Regina de Vivie-Riedle das Problem der Forscher.

Ein Team um Regina de Vivie-Riedle zeigt nun gemeinsam mit Spiridoula Matsika von der Temple University in Pennsylvania (ehemalige Humboldtstipendiatin an der LMU) am Beispiel der Nukleinbase Uracil, wie sich dieser ultraschnelle Prozess mit Hilfe von speziell geformten Lichtfeldern kontrollieren lässt. Eines dieser Lichtfelder hält das Molekül sehr viel länger im angeregten Zustand als üblich – so als wäre eine Pause-Taste gedrückt. „Die Lebensdauer des kritischen angeregten Zustands kann von circa 190 Femtosekunden bei Kurzpulsanregung mit ungeformten Licht auf 50 Pikosekunden und mehr mit geformten Licht verlängert werden“, sagt de Vivie-Riedle. Darüber berichten die Forscher aktuell in der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society.

Sie orientieren sich hierbei an vorhergehenden Experimenten mit Femtosekundenpulsen, die zeigten, dass nach UV-Anregung Uracil ultraschnell wieder in den Grundzustand relaxiert. Die LMU-Chemiker haben die Laserpulse in Simulationen auf verschiedene Ziele optimiert und können den Relaxationsprozess von Uracil entweder beschleunigen oder signifikant verlangsamen. Insbesondere durch das Fangen im entscheidenden Zustand ist der Weg geöffnet für nachfolgende spektroskopische Untersuchungen der Reaktionen, die zum Photoschaden führen. Die Autoren gehen davon aus, dass sich das Ergebnis auch auf andere Nukleinbasen übertragen lässt. „Wir sind zuversichtlich, dass unsere Simulationen dazu beitragen, dass sich die chemischen Vorgänge, die zu Photoschäden führen, künftig gezielter untersuchen lassen“, sagt de Vivie-Riedle. (JACS 2017)