Stabil dank Dynamik: DNA-Bestandteil widersteht UV-Bestrahlung

Vorg�nge, die zur Stabilit�t von DNA im UV-Licht beitragen, konnten nun erstmals mittels komplexer Computersimulationen im Detail untersucht werden. Die vor allem am DNA-Bestandteil 9H-Adenin gewonnenen Erkenntnisse wurden im „Journal of the American Chemical Society“ (JACS) publiziert und in Anerkennung der Qualit�t der Arbeit in die neu eingerichtete Online-Sektion „JACS Select“ aufgenommen. Die Ergebnisse des vom Wissenschaftsfonds FWF unterst�tzten Projektes belegen einen ultraschnellen, zweistufigen Prozess als einen Grund f�r die Fotostabilit�t der DNA.

UV-Strahlen br�unen nicht nur die Haut, sie k�nnen auch Atome ihrer Elektronen „berauben“ und so organische Verbindungen zerst�ren. Um diesen sch�dlichen Wirkungen zu entgehen, setzt der DNA-Bestandteil Adenin auf einen ultraschnellen Prozess, der in weniger als einer billionstel Sekunde abl�uft. Durch UV-Licht kommt es zu einer Anregung von Elektronen des Adenins. Somit erlangen diese zun�chst ein h�heres Energieniveau. Von diesem kehren sie, im Fall des Adenins blitzschnell, wieder auf das urspr�ngliche Grundniveau zur�ck. So wird potenziell sch�dliche Anregungsenergie in harmlose Vibrationsenergie des Molek�lger�stes umgewandelt. Die DNA wird dadurch vor Sch�den gesch�tzt. W�hrend der Vorgang selbst bereits bekannt war, konnten die Details aufgrund der hohen Komplexit�t des Vorganges noch nicht simuliert und damit im Detail analysiert werden – bis jetzt.

Simulation eines �bergangs
Durch den innovativen Einsatz einer Berechnungsmethode zur Simulation dynamischer Quantenzust�nde gelang es dem Wiener Team um Prof. Hans Lischka und Doz. Mario Barbatti vom Institut f�r Theoretische Chemie der Universit�t Wien, genaue Aussagen �ber Mechanismen zu treffen, die der Fotostabilit�t von Adenin zugrunde liegen. „Durch die Gr��e des Molek�ls, die notwendigen, langen Simulationszeiten und die Komplexit�t der Elektronen-Spektren war dieses Projekt eine formidable Herausforderung. Und es hat sich gelohnt, sie anzunehmen“, erkl�rt Lischka.

Das Team um Lischka berechnete, wie der �bergang zwischen den einzelnen Energieniveaus der Elektronen in Kopplung an die Bewegung der Atomkerne im Detail abl�uft. Zun�chst zeigen die Daten, dass dieser �bergang kein kontinuierlicher, sondern ein aus zwei Schritten bestehender Prozess ist. Ersterer ist „ultrakurz“ und nimmt lediglich 22 Femto-Sekunden (22 billiardstel Sekunden) in Anspruch. Dabei fallen die Elektronen von einem h�heren Energieniveau (S3) in ein niedrigeres (S1). Der zweite Schritt dauert etwa 20-mal so lange wie der erste, n�mlich eine halbe billionstel Sekunde. Danach sind die Elektronen des Adenins wieder in den energiearmen Ausgangszustand (S0) zur�ckgefallen, und das in unvorstellbarer Geschwindigkeit.

Bewegung der Elektronen und Atomkerne
Die renommierte American Chemical Society hebt in ihrem Kommentar unter anderem die Anzahl der von Lischka und seinem Team berechneten Kernbewegungsbahnen hervor. In dieser Arbeit wurden nicht nur ein oder zwei, sondern gleich 60 dieser, auch als Traktorien bezeichneten, Bahnen simuliert. Diese Anzahl erm�glichte die Erstellung einer Statistik �ber jene Vorg�nge, die f�r die Fotostabilit�t von Adenin verantwortlich sind. Lischka und Barbatti dazu: „Durch Verwendung vieler Traktorien konnten wir statistische Aussagen treffen. So sahen wir beispielsweise, dass bei 98 Prozent, also bei praktisch allen berechneten Traktorien, 60 Femto-Sekunden nach einer UV-Bestrahlung das S1-Niveau erreicht wurde.“ Die von Lischka und Barbatti in diesem speziellen Zusammenhang erstmals angewandte Computersimulationsmethode birgt gro�es Potenzial f�r die weitere Erforschung ultraschneller fotochemischer Prozesse in polyatomaren Molek�len. Dieses Potenzial der �u�erst zeitintensiven Methode konnte durch die F�rderung von Lischkas Arbeit durch den Wissenschaftsfonds FWF voll ausgesch�pft werden. Die erlangten Einsichten und die Aufnahme der Publikation von Lischka und Barbatti in die Website-Rubrik „JACS Select“ f�r innovative Entwicklungen zeigen deutlich, dass Lischka seine „formidable Herausforderung“ bestens bew�ltigt hat.

Bild und Text ab Mittwoch, 23. Februar, 09.00 Uhr MEZ verf�gbar unter:
http://www.fwf.ac.at/de/public_relations/press/pv200902-de.html

Originalpublikation: „Nonadiabatic Deactivationof 9H-Adenine: A Comprehensive Picture Based on Mixed Quantum-Classical Dynamics“ M. Barbatti & H. Lischka. J. Am. Chem. So., 2008, 130 (21), 6831-6839, DOI:10.1021/ja800589p
http://pubs.acs.org/stoken/beta/select/abs/10.1021/ja800589p

PRESSEMITTEILUNG-DETAILS:
Wissenschaftlicher Kontakt:
Prof. Hans Lischka
Universit�t Wien
Institut f�r Theoretische Chemie
W�hringer Stra�e 17
1090 Wien
T +43 / 1 / 4277 527 57
E hans.lischka@univie.ac.at

Der Wissenschaftsfonds FWF:
Mag. Stefan Bernhardt
Haus der Forschung
Sensengasse 1
1090 Wien
T +43 / 1 / 505 67 40 – 8111
E stefan.bernhardt@fwf.ac.at