Paren van negatief geladen fosfaatgroepen en positieve magnesiumionen vertegenwoordigen een belangrijk structureel kenmerk van DNA en RNA ingebed in water. Trillingen van fosfaatgroepen zijn nu vastgesteld als selectieve sondes van dergelijke contactparen en maken het mogelijk om interacties en structuur in kaart te brengen op de ultrasnelle tijdschalen van moleculaire dynamica.

DNA en RNA zijn geladen polymeren die coderen voor genetische informatie in een dubbele helixstructuur en die een sleutelrol spelen in de biosynthese van eiwitten. Hun negatieve ladingen bevinden zich in de moleculaire ruggengraat, dat bestaat uit ionisch fosfaat (PO ^2- ) en van suikergroepen (Figuur 1). Stabilisatie van de macromoleculaire structuren van DNA en RNA vereist een compensatie van sterke afstotende elektrische krachten tussen de gelijk geladen fosfaatgroepen door ionen van tegengestelde, d.w.z., positieve lading. In deze context, magnesium (Mg ²⁺ ) ionen zijn bijzonder relevant omdat ze niet alleen de structuur stabiliseren, maar ook de herkenning van externe bindingspartners bemiddelen en fungeren als katalytische centra. Bovendien, veranderingen van macromoleculaire structuur via dynamische vouwprocessen zijn verbonden met een herschikking van positieve ionen ingebed in de omringende waterschil.

Positieve ionen zijn gerangschikt in verschillende geometrieën rond DNA en RNA:in zogenaamde plaatsgebonden of contactpaargeometrieën, een positief ion bevindt zich in direct contact met een zuurstofatoom van een fosfaatgroep. In tegenstelling tot, de zogenaamde buitenste ionenatmosfeer bestaat uit positieve ionen die door ten minste één laag watermoleculen zijn gescheiden van de fosfaatgroepen. De functionele rol van de verschillende geometrieën en de onderliggende interacties worden nog lang niet begrepen. Een dieper inzicht op moleculair niveau vereist zeer gevoelige sondes die het mogelijk maken om de verschillende ionengeometrieën te onderscheiden zonder ze te verstoren, en voor het in kaart brengen van hun dynamiek op de ultrasnelle tijdschaal van moleculaire bewegingen.

In een recente publicatie, onderzoekers van het Max Born Institute (MBI) tonen aan dat trillingen van fosfaatgroepen gevoelige en niet-invasieve sondes van ionengeometrieën in een wateromgeving vertegenwoordigen. Dimethylfosfaat (DMP, (CH ³ O)2PO ^2- ), een gevestigd modelsysteem voor de DNA- en RNA-ruggengraat, werd bereid in vloeibaar water met een overmaat Mg ²⁺ ionen (Figuur 2, top) en bestudeerd door niet-lineaire vibrationele spectroscopie in het femtoseconde tijdsdomein (1 fs =10 ^-15 s). De experimenten maken gebruik van tweedimensionale infrarood (2-D-IR) spectroscopie, een zeer geavanceerde methode voor het analyseren van de ionische interacties en structuren op de intrinsieke tijdschaal van fluctuerende moleculaire bewegingen.

De experimenten brengen Mg . in kaart ²⁺ ionen in direct contact met een PO ^2- groep via een duidelijk kenmerk in het 2-D-IR-spectrum (Figuur 2, onderkant). De interactie met de Mg ²⁺ ion verschuift de asymmetrische PO ^2- vibratie uitrekken tot een frequentie die hoger is dan bij afwezigheid van Mg ²⁺ ionen. De lijnvorm en de tijdsevolutie van deze nieuwe functie onthullen fluctuaties van de geometrie van het contactionenpaar en de ingesloten waterschil op een tijdschaal van honderden femtoseconden, terwijl het contactpaar zelf veel langer bestaat (~10 ^-6 s). Een diepgaande theoretische analyse toont aan dat de subtiele balans van aantrekkende elektrostatische (Coulomb) krachten en afstotende krachten als gevolg van de kwantummechanische uitwisselingsinteractie de frequentiepositie van de fosfaattrilling bepalen.

Het vermogen van 2-D-IR-spectroscopie om de korteafstands-fosfaat-ion-interactie in oplossing te karakteriseren, biedt een nieuw analytisch hulpmiddel dat een aanvulling vormt op de momenteel beschikbare structurele technieken. Een uitbreiding van deze nieuwe benadering van DNA en RNA en hun ionische omgeving is zeer veelbelovend en zal naar verwachting nieuw inzicht verschaffen in de krachten die evenwichtsstructuren stabiliseren en vouwprocessen aansturen.