DNA strand exchange and hydrophobic interactions between biomolecules
Doktorsavhandling, 2015

The role of hydrophobic interactions in DNA strand exchange has been studied using fluorescence-labeled DNA oligomers in a FRET assay. Strand exchange was found to be accelerated in the presence of polyethylene glycol, which provides a crowded and hydrophobic environment possibly mimicking that of the catalytically active recombinase-DNA complexes. Circular dichroism spectroscopy shows that B-DNA conformation is conserved, so the increased rate of exchange is not simply caused by melting of DNA duplexes. A hydrophobic environment increases the base pairing accuracy of DNA strand exchange, which causes mismatched duplexes to quickly be replaced in the presence of matching strands. It is inferred that these effects are caused by a decrease in water activity which weakens the DNA stacking forces, and by favorable hydrophobic interactions between PEG and DNA chains, with the result that DNA breathing and subsequent strand invasion is facilitated. Linear dichroism and dynamic light scattering were also used to study some other biomolecular systems where hydrophobic interactions are important: lipid membranes, DNA-protein complex, DNA nanoconstructs anchored to membrane surface, and to study fusion of liposomes induced by shearing forces. A DNA hexagon construct was found to adopt different orientations at the membrane surface depending on the number of attached anchors, but the construct itself was inferred to have a metastable shape due to internal flexibility. Finally, an example of assembly of protein subunits to a membrane surface was considered in shape of the ATP synthase system for which we propose that the activation energy of ATP synthesis may be reduced through coupled reactions between three active sites. The results are interesting in more general contexts of methodological improvements for studying biomolecular assembly, including linear dichroism spectroscopy of transmembrane proteins.

ATP synthase

DNA

membrane proteins

linear dichroism

Hydrophobic interactions

self-assembly

strand exchange

nanotechnology

liposomes

Opponent: Michael Waring, Department of Pharmacology, University of Cambridge, UK

Författare

Bobo Feng

Kemi och kemiteknik, Kemi och biokemi, Fysikalisk kemi

Ungefär 100 kilo ATP syntetiseras i kroppen varje dag av ATP-syntas, ett sammansatt proteinkomplex med tre aktiva centra. Komplexet sitter förankrat i ett biologiskt membran med hjälp av hydrofob attraktion och består av en roterande och en statisk del. En ATP-molekyl syntetiseras per tredjedels varv. Trots att varje aktivt centrum skulle kunna fungera oberoende av de andra, sparas mycket energi av att de enskilda reaktionerna fördelas jämnt över tiden. I artikel 6 i denna avhandling kallar vi detta fenomen för ”katalys genom fasförskjutning”. Hydrofob (av ὕδωρ, ’vatten’ och φόβος, ’fruktan’) attraktion sker mellan biomolekyler i lösning för att minimera ytan som är exponerad för vatten. Hydrofob attraktion håller samman DNA-strängar, lipidmembran och proteinkomplex, och kan användas för att binda proteiner till DNA och förankra DNA till membran. Denna avhandling handlar om hydrofoba krafter ur ett biologiskt och nanotekniskt perspektiv, med utgångspunkt i DNA-strängutbyte. Genom strängutbyte skapas nya dubbelsträngar genom tillsats av enkelsträngar (se Fig. 6), en process som katalyseras av hydrofob växelverkan mellan DNA och dess omgivning. Målsättningen med forskningen som presenteras i denna avhandling är att bättre förstå hydrofoba krafters roll i till exempel reparation av felaktiga DNA-baser och konstruktion av membranbaserade nanosystem.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Livsvetenskaper och teknik

Ämneskategorier

Fysikalisk kemi

Biokemi och molekylärbiologi

Fundament

Grundläggande vetenskaper

ISBN

978-91-7597-176-6

Opponent: Michael Waring, Department of Pharmacology, University of Cambridge, UK