4.4 „Split Probes“
4.5 Thiazol Orange Chromophorenstapel in DNA
Durch den Mehrfacheinbau von organischen Fluorophoren in die DNA erhofft man sich, neuartige Systeme zu entwickeln, Basenfehlpaarungen nachzuweisen[226] oder optisch aktive Aggregate für die Nanotechnologie zu entwickeln.[227] Die Verstärkung und Modulation von Fluoreszenzeigenschaften[228], vor allem der Wunsch nach helleren Sonden, spielen dabei eine wichtige Rolle.[229, 230] Chromophore können dabei in zwei unterschiedlichen Anordnungen an die DNA gebunden werden.
Entweder werden sie an den Duplex gebunden, so dass sie sich außerhalb aneinander reihen, oder sie werden in den Basenstapel integriert und bilden π-π -Wechselwirkungen zu den Basen aus. In beiden Fällen dient DNA als Rückgrat zur sukzessiven Anordnung der Chromophore. Es wurden Chromophorenstapel aus Methyl Red[167], Pyren[114, 226, 231], Biphenyl[232], Phenothiazin[228] und Perylenbisimid[119] untersucht.
Um herauszufinden, inwieweit Thiazol Orange für solche Chromophorenstapel geeignet ist, wurden folgende DNA-Sequenzen synthetisiert:
DNA FImax nm RFI (FI533nm/FI585nm) Tm/°C [260 nm]
DNA17-18 546 1.20 60.5
DNA23a-23b-24 542 1.34 52.0
DNA23a-23b-25 538 1.49 50.0
DNA23a-23b-26 535 1.58 53.0
DNA23a-23b-27 534 1.63 54.5
DNA23a-23b-28 533 1.98 48.4
Thiazol Orange Chromophorenstapel in DNA DNA29-30 dient als Referenzduplex, der das Thiazol-Orange-Dimer enthält. Die nachfolgenden Duplexe enthalten jeweils ein Thiazol Orange mehr.
DNA31: 3’-CAG-TCA-TOTTO-TAT-GTA-CG-5’
DNA30: 5’-GTC-AGT--TTOT--ATA-CAT-GC-3’
DNA31: 3’-CAG-TCA-TOTTOT--AT-GTA-CG-5’
DNA32: 5’-GTC-AGT--TTOTTO-TA-CAT-GC-3’
DNA33: 3’-CAG-TCA-TOT ATTOT-GTA-CG-5’
DNA32: 5’-GTC-AGT--TTOTTOTA-CAT-GC-3’
Im Gegensatz zum Arrangement bei DNA31-32, werden durch die Versetzung des vierten Thiazol Oranges um eine weitere Base in 5’-Richtung, beide Thiazol-Orange-Dimere voneinander separiert.
In Abbildung 4-30 sind die Absorptionsspektren der Duplexe abgebildet. Es ist mit jedem zusätzlichen Thiazol Orange eine Zunahme der Absorptionsintensität zu verzeichnen, wie es zu erwarten war.
400 450 500 550 600
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Absorption [OD]
Wellenlänge [nm]
DNA29-30 DNA31-30 DNA31-32 DNA33-32
Abbildung 4-30: Absorptionsspektren der Duplexe DNA29-30, DNA31-30, DNA31-32 und DNA33-32.
2.5 µM, 10 mM NaPi, pH 7, 250 mM NaCl, 20 °C.
Grundsätzlich lässt sich folgendes feststellen: je höher die Anzahl der Thiazol-Orange-Chromophore im Duplex, desto stärker der hypsochrome Shift. Dies ist ein
Im Fluoreszenzspektrum (Abbildung 4-31) zeigt nur DNA29-30 die charakteristische Emission des Thiazol-Orange-Dimers. Sobald sich ein zusätzlicher Chromophor im Duplex befindet (DNA31-30), ist nur noch ein Emissionsmaximum bei 563 nm zu verzeichnen, dies entspricht einer gelben Emissionsfarbe.
500 550 600 650 700
0.0
Abbildung 4-31: Emissionsspektren der Duplexe DNA29-30, DNA31-30, DNA31-32 und DNA33-32.
2.5 µM, 10 mM NaPi, pH 7, 250 mM NaCl, λexc = 490 nm, 20 °C. Foto von links nach rechts: DNA29-30, DNA31-30, DNA31-32 und DNA33-32. 2.5 µM, 10 mM NaPi, pH 7, 250 mM NaCl, 20 °C, angeregt durch eine herkömmliche UV-Lampe.
DNA31-30 und DNA31-32 unterscheiden sich nur durch unterschiedliche Emissionsintensitäten, die Gestalt der Emissionsbanden ist in beiden Fällen nahezu gleich. DNA33-32 hingegen zeigt ein Maximum von 583 nm und eine orangefarbene Emission, dies entspricht der Dimerfluoreszenz; allerdings ist die Fluoreszenzintensität deutlich geringer als die von DNA29-30. Diese Unterschiede lassen sich auch mit bloßem Auge erfassen (Abbildung 4-31, Foto). DNA31-30 und DNA31-32 zeigen eine gelbe Emissionsfarbe, DNA33-32 fluoresziert orange.
Erwähnenswert ist auf jeden Fall, dass alle Duplexe eine Fluoreszenz aufweisen. Dies war für H-Aggregate so nicht zu erwarten.
Im CD-Spektrum wird deutlich, dass alle Duplexe eine B-DNA ausbilden, da alle Signale einen Nulldurchgang bei ungefähr 260 nm aufweisen. DNA29-30 weist ein sehr starkes CD-Signal im Bereich von 550 nm bis 450 nm auf. Dies wurde bei
Thiazol Orange Chromophorenstapel in DNA
300 350 400 450 500 550 600 650
-12
Abbildung 4-32: CD-Spektren der Duplexe DNA29-30, DNA31-30, DNA31-32 und DNA33-32. 2.5 µM, 10 mM NaPi, pH 7, 250 mM NaCl, 20 °C.
Diese schwachen CD-Signale zeigen, dass die π-π-Wechselwirkungen zwischen den Chromophoren entweder sehr schwach ausgebildet sind, weil die Chromophore sich gegenseitig stören oder dass sich die Übergangsdipolmomente fast nicht helikal zueinander verdrehen. Interessanterweise zeigt DNA33-32 wieder ein stärkeres CD-Signal, dieses unterscheidet sich aber deutlich von dem, das bei DNA29-30 zu beobachten ist. Es zeigt eine kleine positive Schulter bei 490 nm und ein deutlich hypsochrom verschobenes Maximum bei 462 nm, im Vergleich zu DNA29-30. Es wird deutlich, dass die vier Thiazol-Orange-Chromophore miteinander excitonische Wechselwirkungen ausbilden, diese jedoch nicht einfach die Summe zweier Dimere darstellen, sondern die oben gezeigten optischen Eigenschaften das Resultat einer alternativen Chromophoranordnung sind.
Die spektroskopischen Untersuchungen eines sukzessiven Aufbaus des Chromophorenstapels aus Thiazol Orange hat ergeben, dass keine stärkere Helligkeit der Oligonukleotidsonde durch Erhöhung der Choromophorenanzahl im DNA-Duplex zu erreichen ist. Die Thiazol-Orange-Farbstoffe verhalten sich also im Emissionsspektrum nicht additiv, sondern es kommt durch zusätzliche benachbarte Chromophore zu alternativen Wechselwirkungen und damit zu unerwünschter Fluoreszenzlöschung und einer Minderung der CD-Signalintensität. Bei genauerer Untersuchung der vorliegenden spektroskopischen Daten wird jedoch deutlich, dass
(DNA33-32). Das CD-Signal weist signifikant veränderte Maxima, Minima und Nulldurchgang auf.
Auch die Schmelztemperaturen der Duplexe weisen auf zusätzliche, aber andersartige Wechselwirkungen der Chromophore hin (Tabelle 4-7). Duplex DNA29-30 zeigt eine Schmelztemperatur von 58.5 °C, die Duplexe DNA31-30 und DNA31-32 hingegen sind thermisch instabiler mit Schmelztemperaturen von 56.1 °C bzw. 50.6 °C, begleitet jeweils von einem zweiten Übergang bei 72.1 °C bzw.
70.1 °C, der durch die Dissoziation der Chromophore zustande kommen könnte.
Tabelle 4-7: Charakteristische Daten der Duplexe DNA29-30, DNA31-30, DNA31-32 und DNA33-32.
2.5 µM DNA, 10 mM NaPi, pH 7, 250 mM NaCl, λexc = 490 nm, 20 °C.
DNA FImax/nm RFI (FI533nm/FI585nm) Tm/°C [260 nm] Tm/°C [508 nm]
DNA29-30 590 0.19 58.5 58.0
DNA31-30 563 0.70 56.1 / 72.1 53.5 DNA31-32 563 0.83 50.6 / 70.1 48.0
DNA33-32 585 0.43 59.0 54.0
DNA33-32 zeigt eine Schmelztemperatur von 59.0 °C und damit einen ähnlichen Wert wie DNA29-30. Bei einer ausreichenden räumlichen Trennung beider Chromophorpaare scheint eine Störung der Wechselwirkungen verhindert werden zu können und beide Paare sorgen durch zusätzliche hydrophobe Wechselwirkungen für gute Stabilitäten der DNA-Duplexe. Da sich aber weder im Absorptionsspektrum noch im Fluoreszenzspektrum eine doppelte Intensitätshöhe abzeichnet, sondern eine deutlichere hypsochrome Verschiebung des Maximums im Absorptionsspektrum und sogar eine reduzierte Emissionsintensität, liegt die Vermutung nahe, dass in DNA33-32 das zweite Chromophorenpaar in 3’-5’-Richtung sich vom ersten Paar unterscheiden muss. Geometrisch optimierte Modelldarstellungen (Abbildung 4-33) der jeweiligen Thiazol-Orange-Paare lassen vermuten, dass es zu unterschiedlichen Anordnungen der Chromophoren kommt. Im Modell werden folgende DNA-Duplexe
Thiazol Orange Chromophorenstapel in DNA DNA3: 3’-CAG-TCA-TOTT-GAC-GTA-CG-5’
DNA4: 5’-GTC-AGT-TTOA-CTG-CAT-GC-3’
DNA77: 3’-CAG-TCA-TTOT-GAC-GTA-CG-5’
DNA78: 5’-GTC-AGT-TOTA-CTG-CAT-GC-3’
Abbildung 4-33: Geometrisch optimierte Modelldarstellung beider Thiazol-Orange-Chromophore in DNA3-4 (links) und DNA77-78 (rechts).
Die roten Pfeile sollen auf die unterschiedlichen Anordnungen beider Chromophorenpaare in den Duplexen hinweisen. Auf der Basis der Modelle scheint es, dass sich bei DNA73-74 die Chromophore nicht antiparallel anordnen, sondern parallel. Es stehen sich die Chinolinteile beider Chromophore gegenüber, wohingegen die Benzothiazolteile gar nicht miteinander zu wechselwirken scheinen. Diese parallele Anordnung hat schon bei DNA17-18 (siehe Kapitel 4.3.1) zu keiner Emissionsmaximumsverschiebung, sondern hauptsächlich zu einer Fluoreszenzlöschung geführt. Trotz des größeren Abstandes beider Dimerpaare voneinander in DNA33-32 scheint die räumliche Distanz noch immer nicht auszureichen, um eine gegenseitige Beeinflussung beider Chromophorenpaare voneinander zu verhindern. Die Absorptions- und Fluoreszenzspektren scheinen also alle möglichen Wechselwirkungen der Thiazol-Orange-Moleküle untereinander widerzuspiegeln. Eine genauere Auflösung dieses Phänomens, z.B. durch 1 H-NMR-Spektroskopie, konnte im Rahmen der Promotionszeit nicht mehr bewerkstelligt
analytische Zwecke gelegt und darauf hingearbeitet, für dieses Phänomen eine photophysikalische Erklärung zu finden.