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Torsional properties of DNA probes with magnetic (torque) tweezers

by Franziska Kriegel

Die Natur hat eine einzigartige Struktur entwickelt um die DNS, unser Erbgut, zu schtzen und zu bertragen. Fr die Entdeckung dieser komplexen Struktur wurde 1962 der Nobelpreis vergeben. Die DNS trgt die Information unseres Erbguts in ihrer Sequenz. Die sich im Inneren der DNS befindlichen Basen charakterisieren das Genom und sind geschtzt durch das doppelstrngige Rckgrat. Um auf die Information zurckgreifen zu knnen, muss die Doppelhelix geffnet, sozusagen entwunden werden. Fr diesen Vorgang mssen Drehkrfte wirken. Aus diesem Grund werden biologische Prozesse, wie Replikation und Transkription, durch Drehmomente reguliert. Die Topologie, die eine DNS annimmt, ist daher fr das Leben essentiell und zudem streng reguliert durch eine Gruppe von Enzymen den Topoisomerasen. Topoisomerasen sind so bedeutsam, dass ihre Entnahme aus der Zelle, nach kurzer Zeit den Zelltod zur Folge hat. Dieses Verfahren wird in der Medizin oft angewendet, um Krebszellen zu bekmpfen und zu tten. Folglich ist es von herausragender Bedeutung, das Verhalten von DNS unter der Wirkung von Drehkrften zu untersuchen und zu verstehen. Einige Einzelmolekltechniken wurden in den letzten Jahren entwickelt, um an Moleklen im pN Bereich zu ziehen oder zu drehen. Verhltnismig neu ist die Mglichkeit das Drehmoment einzelner Molekle, unter anderem der DNS, direkt zu messen. Die Magnetische Pinzette ist hierbei die prominenteste Technik.Bisher konnte man bei direkten Drehmomentmessungen nur je ein Molekl nach dem anderen studieren. Diese Einzelbetrachtung erschwert das Erheben von Statistiken ungemein. In dieser Arbeit stelle ich eine vereinfachte und temperaturkontrollierte Version der Magnetischen Pinzette vor, die auerdem mehrere Molekle gleichzeitig messen kann, um Dreheigenschaften der DNS zu untersuchen. Ich zeige, dass sowohl die Frei Drehbaren Magnetischen Pinzetten als auch die Magnetischen Drehmoment Pinzetten, unter den richtigen Bedingungen zum Beispiel den magnetischen Kugeln fr parallele Messungen verwendet werden knnen. Auerdem zeige ich, dass die Kraftkalibrierungen in beiden Verfahren gleich sind. Dieser Umstand erlaubt es, diese direkt in den Magnetischen Drehmoment Pinzetten anzuwenden ohne vorab die Frei Drehbaren Magnetischen Pinzetten zu etablieren. Mit diesen Ergebnissen habe ich eine multiple Form der Magnetischen Drehmoment Pinzette entwickelt und somit Ausdehnungs- und Drehmomentmessungen von DNS gemacht, die eine Untersuchung der Struktur des Molekls ermglichen. Der Einfluss von ueren Faktoren, wie zum Beispiel der Salzgehalt oder die Temperatur auf Dreheigenschaften des Molekls, sind hchst relevant fr biologische Prozesse. Mit den vorab genannten Ergebnissen und Verbesserungen in der Technik habe ich diese Fragestellungen systematisch genau untersucht. Zuerst habe ich die intrinsische Drehsteifigkeit (bei groen Zugkrften, die Biegeeffekte unterdrcken) der DNS unter verschiedenen Salzkonzentrationen analysiert. Ein Ergebnis dieser Untersuchung ist, dass diese salzunabhngig ist.Advisors/Committee Members: Lipfert, Jan (advisor).