Barriere für doppelsträngige DNS

Die Wassermoleküle tragen ein starkes elektrisches Dipolmoment und können sich parallel zu elektrischen Feldlinien ausrichten und sie so abschwächen. Dies führt zu einem um den Faktor 80 reduzierten elektrischen Feld in Wasser. Im Membranmaterial ist dies nicht der Fall, und daher werden alle geladenen Objekte von der Grenzfläche abgestoßen. Mit einem Algorithmus, der in der Wand induzierte Ladungen bestimmt, können wir dies in unseren Simulationen mit überschaubarem Zusatzaufwand berücksichtigen. Die ersten Untersuchungen mit diesem Algorithmus zeigten, dass dies zu einer starken Barriere führt, die ein geladenes DNS-Molekül überwinden muss. Wenn man der Lösung allerdings Salz hinzufügt, wird diese Barriere deutlich verringert. Für diese Ergebnisse haben wir unser Modell noch weiter vereinfacht: (Normale) doppelsträngige DNS ist recht steif im Verhältnis zum Durchmesser von typischen untersuchten Poren, daher haben wir sie als steifen, geladenen Stab modelliert.

Barriere für einzelsträngige DNA

In Experimenten wird meist einzelsträngige DNS benutzt, weil nur sie es erlaubt, einzelne Basen im Genom zu erkennen. Sie ist viel flexibler als doppelsträngige DNS und damit deutlich schwieriger zu modellieren. Wir haben einzelsträngige DNS als Kette von geladenen Kugeln dargestellt und mit dieser Methode wiederum die Freie Energie bestimmt. Wir konnten zeigen, dass durch die Flexibilität die Barrierenhöhe deutlich zunimmt, weil sich eigentlich immer ein Teil der DNS in der Nähe der Wand befindet. Die Simulationen waren sehr aufwändig, weil wir stets abwarten mussten bis dieses lange Molekül alle Möglichen räumlichen Strukturen angenommen hat. In der Realität passiert dies in wenigen Millisekunden, was trotz Vergröberungen in unseren Simulationen eine große Herausforderung darstellt.

Leitfähigkeit von Nanoporen

In Experimenten wurde je nach Ionenkonzentration der Salzlösung entweder beobachtet, dass während des Transportvorgangs der Strom höher oder niedriger war, verglichen mit den Situationen, in denen kein sich DNS-Moleküle in der Pore aufhielt. Dies wurde damit erklärt, dass ein DNS-Molekül mit einer Wolke aus gegensätzlich geladenen Ionen umgeben ist. Bei niedrigen Salzkonzentrationen führt dies dazu, dass während des Transportvorgangs die Anzahl an Ionen, und damit an mobilen Ladungsträgern, in der Pore erhöht wird, so dass letytendlich mehr Strom fließt. Bei hohen Salzkonzentrationen jedoch verdrängt das DNA-Molekül mit seiner Größe mehr Ionen aus der Pore als es zusätzlich einbringt, wodurch seine Anwesenheit den Strom blockiert. Zusätzlich wird das Wasser durch anwesende Ionen in Bewegung versetzt, es entsteht ein elektroosmotischer Fluss, welcher auch in die Überlegungen miteinbezogen werden muss. Um das quantitative Verhältnis dieser Effekte zu bestimmen, haben wir Simulationen des zentralen Teils einer zylindrischen Pore mit atomarer Auflösung durchgeführt.

Wir haben diese Simulationen für eine große Anzahl verschiedener Salzkonzentrationen mit und ohne DNS durchgeführt. Unser Ziel war es, herauszufinden, bei welcher Salzkonzentration die Leitfähigkeit sich durch das Einbringen eines DNS-Moleküls gerade nicht ändert. In Übereinstimmung mit Experimenten bestimmten wir diese Salzkonzentration zu 350 mmol/l. Wir haben den Strom in verschiedene Beiträge zerlegt: den direkten Strom, der nur von der Anzahl der Ionen abhängig ist, den advektiven Strom, der vom elektroosmotischen Fluss hervorgerufen wird, und einen negativen Beitrag aufgrund von Reibung zwischen Ionen und DNA. Wir konnten eindeutig zeigen, dass der Reibungseffekt sehr wichtig ist, und dass die in den meisten Experimenten gemessenen Blockaden ohne ihn nicht auftreten würden.

Visualisierung der Gegenionenwolke

Um genauer herauszufinden, wie sich die Gegenionen um das DNS-Molekül herum anordnen und bewegen, wurde gemeinsam mit dem Teilprojekt D4 des SFB 716 eine Anwendung basierend auf auf dem Programm MegaMol entwickelt, mit dem wir interaktiv ihre Eigenschaften bestimmen können. Dazu werden die Ergebnisse vieler Simulationsläufe aggregiert, woraufhin mit der Anwendung relevante Eigenschaften sichtbar gemacht werden können. Die Grafik zeigt die Ionendichte dargestellt durch Isoflächen. In der großen Furche (Major Groove) der DNS bildet sich ein Tubus mit einer sehr hoher Gegenionenkonzentration aus. Diese Ionen können sich kaum bewegen, was letztendlich für den Reibungseffekt verantwortlich ist.