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Einbau neuer Atome in das Erbgut hilft in der Krebsforschung

Maßgeschneiderte Bausteine des LebensEinbau neuer Atome in das Erbgut hilft in der Krebsforschung

Nukleobasen bilden die Grundbausteine des Erbguts. Wenn man deren Sauerstoffatome durch Schwefel ersetzt und anschließend mit UV-Licht bestrahlt, wirken diese Nukleobasen als Photochemotherapeutikum. Durch die Kombination von experimentellen und theoretischen Untersuchungen ist es den Chemikern um Leticia González von der Universität Wien gelungen, den molekularen Prozess hinter diesem Vorgang zu verstehen. Die neu gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, neue, noch effizientere Arzneistoffe zu entwickeln.

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Die internationale Arbeitsgruppe um die theoretische Chemikerin Leticia González von der Universität Wien arbeitet schon seit mehreren Jahren an der Aufklärung der Photochemie von Nukleobasen (Copyright: Universität Wien).

Nukleobasen stellen das ABC des Lebens dar, indem sie durch die Abfolge der Bausteine Adenin, Guanin, Cytosin bzw. Thymin den Bauplan für die Proteine und andere Moleküle eines Lebewesens beinhalten. Seit kurzem sind ForscherInnen an chemisch modifizierten Nukleobasen interessiert, da diese bisher unbekannte biologische Funktionen haben können. So haben modifizierte Nukleobasen, bei denen Sauerstoffatome durch Schwefel ersetzt werden (sogenannte Thiobasen), im Vergleich zu den natürlich vorkommenden Nukleobasen völlig unterschiedliche Eigenschaften bezüglich der Empfindlichkeit gegenüber UV-Licht.
 
Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin haben aufgrund ihrer chemischen Struktur einen internen Schutzmechanismus gegenüber UV-Strahlen. Sie wandeln UV-Licht in einem ultraschnellen Prozess in Wärmeenergie um. Thiobasen jedoch "speichern" die Energie des eintreffenden UV-Lichts und können dadurch chemische Reaktionen mit ihrer Umgebung eingehen. So finden sich beispielsweise ausgewählte Thiobasen in Immunsuppressiva, welche PatientInnen nach einer Organtransplantation zur Unterdrückung der Immunabstoßung verabreicht bekommen. Betroffene haben aufgrund der größeren Reaktionsfreudigkeit der modifizierten Thiobasen ein deutlich höheres Hautkrebsrisiko.
 
Die internationale Arbeitsgruppe um die theoretische Chemikerin Leticia González arbeitet schon seit mehreren Jahren an der Aufklärung der Photochemie von Nukleobasen. In ihrer aktuellen Studie haben die ForscherInnen nun erstmals den Mechanismus der Lichtanregung von Thiocytosin im Detail analysiert. "Wir haben in Echtzeit untersucht, wie sich ein Thiocytosin-Molekül während und nach der Anregung durch UV-Licht verhält. Dank ultrakurzer Laserimpulse konnten wir bereits Aussagen über die Zeitskalen, auf denen diese Reaktionen ablaufen, machen", so González. Um ein detailliertes Bild über die vom Molekül gespeicherte Lichtenergie sowie die Bewegungen des Moleküls zu bekommen, haben die WissenschafterInnen auf theoretische Simulationen zurückgegriffen.
 
"Unsere Berechnungen, die unter anderem am Vienna Scientific Cluster durchgeführt wurden, zeigen, dass Thiocytosin nach der Anregung durch UV-Licht extrem schnell in einen sogenannten Triplett-Zustand übergeht", berichtet González. Dabei treten nicht alle Elektronen des Moleküls paarweise auf, wie es normalerweise der Fall ist, sondern zwei Elektronen bewegen sich ungepaart unabhängig voneinander im Molekül. Die durch das UV-Licht gespeicherte Energie überdauert einen so langen Zeitraum, dass das Molekül dabei weitere chemische Reaktionen eingehen kann. "Die bei dieser Untersuchung gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, neue Tumortherapeutika zu entwickeln und damit einen wesentlichen Beitrag in der Krebstherapie zu leisten", erklärt die Chemikerin abschließend.

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Originalveröffentlichung:

Sebastian Mai, Marvin Pollum, Lara Martínez-Fernández, Nicholas Dunn, Philipp Marquetand, Inés Corral, Carlos E. Crespo-Hernández, and Leticia González: The Origin of Efficient Triplet State Population in Sulfur-Substituted Nucleobases, Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms13077

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