Molekulare Erkennung am Beispiel der DNA-Hybridisierung : Stabilität von DNA-Duplexen mit einzelsträngigen Schleifen-Strukturen, Spezifität der molekularen Erkennung in DNA-Konkurrenzsystemen

Abstract

Die spezifische molekulare Erkennung zwischen Bindungspartnern ist für alle biologische Systeme von größter Wichtigkeit. Jedoch ist die zugrundeliegende Physik nur teilweise verstanden. Ein Beispiel einer molekularen Erkennung ist die DNAHybridisierung, unter der man die Formation einer DNA-Doppelhelix aus zwei komplementären DNA-Einzelsträngen versteht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich experimentell und theoretisch mit zwei Aspekten der DNA-Hybridisierung im thermodynamischen Gleichgewicht: i) Das Auftreten nicht-kanonischer Bindungskonformationen bei der Hybridisierung von teilweise komplementären DNA-Strängen macht den Prozess der molekularen Erkennung deutlich komplexer. Daher wird zum einen der Einfluss einzelsträngiger Schleifenstrukturen (Loops), als Beispiel einer nicht-kanonischen Bindungskonfiguration, untersucht, die bei Hybridisierung von DNA-Strängen ungleicher Länge entstehen können. ii) Zum anderen wird die Spezifität der molekularen Erkennung in Konkurrenz untersucht. Gerade in einer Konkurrenzsituation zwischen einer Vielzahl von ähnlichen Molekülen muss die molekulare Erkennung äußerst spezifisch sein, damit mit hoher Wahrscheinlichkeit nur Bindungen zwischen passenden Bindungspartnern auftreten. Es wurde gezeigt, dass die Untersuchung dieser Aspekte ein tiefgreifenderes Verständnis der DNA-Hybridisierung ermöglicht und sich dadurch ein umfassenderes Bild der molekularen Erkennung ergibt.

Molecular recognition between matching marcomolecules is central to the biological organism. However, to date, the underlying physical mechanisms are poorly understood. An example of molecular recognition is the process of DNA hybridization, that describes the formation of a stable DNA double-helix from two complementary single strands. The present thesis focuses, experimentally and theoretically, on two aspects of DNA hybridization in thermal equilibrium. i) Non-canonical binding conformations, emerging upon hybridization of partly complementary DNA strands, may complicate the process of molecular recognition. As an example of a non-canonical binding conformation, the influence of bulged loops that can occur upon hybridization of DNA strands of unequal lengths is investigated. ii) The second part deals with the investigation of the specificity of molecular recognition in competition. In a competitve environment between many similar molecules the process of molecular recognition needs to be highly specific, so that only matching binding partners form stable bonds with a high probability. We have shown that the investigation of these two aspects helps to gain a deeper understanding of DNA hybridization and of molecular recognition in general.