Ribonucleïnezuur (RNA) speelt een sleutelrol in biochemische processen die plaatsvinden op cellulair niveau in een wateromgeving. Mechanismen en dynamica van de interactie tussen RNA en water werden nu onthuld door vibrationele spectroscopie op ultrakorte tijdschalen en geanalyseerd door diepgaande theorie.

Ribonucleïnezuur (RNA) is een elementair bestanddeel van biologische cellen. Terwijl deoxyribonucleïnezuur (DNA) dient als de drager van genetische informatie, RNA vertoont een veel complexere biochemische functionaliteit. Dit omvat de overdracht van informatie in de vorm van mRNA, RNA-gemedieerde katalytische functie in ribosomen, en de codering van genetische informatie in virussen. RNA bestaat uit een opeenvolging van organische nucleobase-moleculen die bij elkaar worden gehouden door een zogenaamde ruggengraat bestaande uit fosfaat- en suikergroepen. Een dergelijke sequentie kan bestaan ​​als een enkele streng of in een gepaarde dubbele helix-geometrie. Beide vormen zijn ingebed in een waterschil en hun fosfaat- en suikergroepen zijn verschillende aanlegpunten voor watermoleculen. De structuur van de waterschil fluctueert op een tijdschaal van enkele tienden van een picoseconde. De interacties van RNA en water en hun rol voor de vorming van driedimensionale RNA-structuren worden alleen onvoldoende begrepen en moeilijk toegankelijk via experiment.

Wetenschappers van het Max Born Institute hebben nu de interactie van RNA met zijn waterschil in realtime waargenomen. In hun nieuwe experimentele methode, trillingen van de RNA-ruggengraat dienen als gevoelige niet-invasieve sondes van de invloed van naburige watermoleculen op de structuur en dynamiek van RNA. De zogenaamde tweedimensionale infraroodspectroscopie maakt het mogelijk om de tijdsevolutie van vibratie-excitaties in kaart te brengen en om moleculaire interacties binnen RNA en tussen RNA en water te bepalen. De resultaten laten zien dat watermoleculen aan het RNA-oppervlak kantelbewegingen uitvoeren, zogenaamde libraties, binnen een fractie van een picoseconde, terwijl hun lokale ruimtelijke ordening behouden blijft voor een tijdsbestek van meer dan 10 ps. Dit gedrag wijkt sterk af van dat van zuiver water en wordt bepaald door de sterische randvoorwaarden die door het RNA-oppervlak worden gesteld. Individuele watermoleculen verbinden aangrenzende fosfaatgroepen en vormen een gedeeltelijk geordende structuur die wordt gemedieerd door hun koppeling aan de suikereenheden.

De losmakende watermoleculen wekken een elektrische kracht op waarmee de waterfluctuaties worden overgebracht op de trillingen van RNA. De verschillende ruggengraattrillingen vertonen een divers dynamisch gedrag dat wordt bepaald door hun lokale wateromgeving en weerspiegelt de heterogeniteit ervan. Ook RNA-trillingen koppelen onderling en wisselen onderling en met de waterschelp energie uit. De resulterende ultrasnelle herverdeling van overtollige energie is essentieel om een ​​lokale oververhitting van de gevoelige macromoleculaire structuur te voorkomen. Dit complexe scenario werd geanalyseerd door gedetailleerde theoretische berekeningen en simulaties die, onder andere resultaten, maakte de eerste volledige en kwantitatieve identificatie van de verschillende trillingen van de RNA-ruggengraat mogelijk. Vergelijkende experimenten met DNA onthullen overeenkomsten en karakteristieke verschillen tussen deze twee elementaire biomoleculen, met een meer gestructureerde waterrangschikking rond RNA. De studie benadrukt het sterke potentieel van niet-invasieve tijdsopgeloste vibratiespectroscopie voor het ontrafelen van het samenspel van structuur en dynamiek in complexe biomoleculaire systemen op moleculaire lengte- en tijdschalen.