Entwicklung einer neuen Methode zur Injektion von Elektronen in DNA

Nachdem der Transfer einer positiven Ladung durch DNA (Lochtransfer) in den letzten
Jahren Ziel intensiver Forschungen war und die Ladungstransfermechanismen untersucht und
aufgeklärt worden waren, sollten im Rahmen dieser Arbeit Studien zum Transfer negativer
Ladung durch DNA (Überschußelektronentransfer) durchgeführt werden. Der
Überschußelektronentransfer ist weit weniger untersucht und erst seit kurzem ins Zentrum des
Interesses gerückt.
Vorgestellt wurde hier die Entwicklung eines neuen Injektionssystems, das regiospezifisch ein
einzelnes Elektron in die DNA injizieren kann. Die Experimente basierten auf tert.-
Butylketonen, die bei Photolyse in einer Norrish I-Reaktion ein Radikal erzeugen, welches
zum Radikalanion deprotoniert werden kann. Das Radikalanion ist aufgrund seines stark
negativen Reduktionspotentials (E0 = -2.5 V) in der Lage ein Elektron auf die am leichtesten
zu reduzierende Nucleobase Thymin (ERed = -2.18 V) zu übertragen. Durch die Kupplung
einer tert.-Butyleinheit an Thymidin konnte ein Injektormolekül synthetisiert werden, das die
Injektion eines Elektrons in den Doppelstrang ermöglicht und für die automatische DNAFestphasensynthese
geeignet ist. Die zuerst reduzierte Thyminbase kann das Elektron dann an
benachbarte Thyminbasen abgeben. In Experimenten an Modellsystemen konnte gezeigt werden, daß das Radikalanion das
Elektron effizient (≥ 90%) auf Thymin überträgt. Die Injektion auf das Thymin ist schneller
als k = 106 s-1, was durch Untersuchungen in Gegenwart von H-Donoren gezeigt werden
konnte. Die Generierung des Thymylradikals konnte durch ESR-spektroskopische
Untersuchungen bewiesen werden.
Das modifizierte Nucleotid kann in guten Ausbeuten in die DNA eingebaut werden und stört
die Struktur der B-DNA nicht, es konnte sogar eine stabilisierende Wirkung festgestellt
werden (Erhöhung der Schmelztemperatur).
Experimente im DNA-Doppelstrang, die in Zusammenarbeit mit T. Carell von T. Carl
durchgeführt wurden, zeigten, daß das Elektron effizient in den DNA-Strang injiziert und
über Thyminbasen transportiert werden kann. Die Detektion erfolgte durch Cycloreversion
eines T-Dimeres. Der Transport über Thyminbasen verläuft nach dem Hopping-Mechanismus
(b = 0.13 Å-1, h = 1.80). Die Elektronentransfergeschwindigkeit für den
Überschußelektronentransfer ist ≥ 109 s-1, wie durch die Konkurrenzreaktion zwischen
Cycloreversion und ET ausgehend vom T-Dimerradikalanion gezeigt werden konnte. Das
Elektron kann nach Spaltung eines T-Dimeres weitertransferiert werden und so in
katalytischer Weise mehrere Strangschäden reparieren. Durch die Einführung eines neuen, schnelleren Detektionssystems könnte Elektronentransfer
über größere Distanzen untersucht werden. Ein mögliches System für solche Untersuchungen
wäre das von Rokita et al. vorgestellte BrdU, eine andere Möglichkeit könnten
Phenazinderivate sein. Diese Systeme bilden bei Aufnahme eines Elektrons eine stabile SEMStufe
aus. Vorexperimente zeigten, daß ein Elektron durch das Radikalanion auf das
Phenazingerüst übertragen werden kann.
Ein interessantes Ziel für weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet wäre also einerseits die
Suche nach einem neuen Injektorsystem. Andererseits wurde mit dem hier vorgestellten
Injektorsystem eine starke Sequenzabhängigkeit bzgl. G:C-Basenpaaren festgestellt, was
darauf zurückzuführen ist, daß über das Thyminradikalanion Ladung injiziert wird und
ausgehend von dort Cytosin, welches ein stärker negatives Reduktionspotential (Ered = -2.35)
als Thymin hat, nur schlecht in einem endothermen Prozeß reduziert werden kann. Um
Elektronentransfer über G:C-Basenpaare untersuchen zu können, wäre die Darstellung einer modifizierten Cytosinbase ebenfalls interessant (vgl. Abb.). Der tert.-Butylbaustein könnte
über die Aminofunktion an Cytosin gekoppelt werden. Die Reduktionskraft des Radikalanions
reicht für den Elektronentransfer auf die gekuppelte Cytosinbase aus. Der Linker ist sogar um
eine Bindung kürzer als im Falle des modifizierten Thymins. Durch selektive Injektion eines
einzelnen Elektrons auf eine Cytosinbase und anschließendem Elektronentransfer auf
benachbarte Cytosinbasen könnte untersucht werden, inwieweit die vielfach diskutierte
Protonierung des Cytosinradikalanions durch Guanosin zum C(H)• Einfluß auf Effizienz und
Geschwindigkeit des Überschußelektronentransfers hat. Ein direkter Vergleich mit dem
Hopping über Thyminbasen wäre möglich.