DNA and RNA base analogue FRET - from fluorophore design to biochemical applications
Doktorsavhandling, 2018

This thesis focuses on the development and use of fluorescent base analogues (FBAs). They are important tools in research concerning nucleic acids structure, dynamics and interactions. FBAs are fluorescent molecules that are structurally similar to the natural nucleobases and can therefore replace them inside nucleic acids without significantly perturbing the properties of the nucleic acid. The design of new FBAs is often challenging due to the limitations imposed on their structure by the overall structure of nucleic acids.

This thesis starts by describing the development and characterization of a large set of new potential adenine analogues, all based on the structure of the FBA qA, and how TDDFT calculations were utilized to aid the design. Among these, three fluorescent (qAN1, qAN4 and pA) and one non-fluorescent (qAnitro) analogue have been incorporated and characterized inside DNA as well. They are all good adenine analogues, i.e. they do not perturb the structure or stability of DNA duplexes significantly. The three fluorescent analogues are all significantly brighter than the parent compound qA, and importantly, pA is the brightest adenine analogue inside DNA reported to date. The thesis also describes the development and characterization of a good thymine analogue, bT, which might serve as the starting point for development of brighter thymine analogues, much like qA did for the adenine analogues mentioned above.

The second half of the thesis focuses on interbase FRET (Förster resonance energy transfer) using the new adenine analogues and the previously reported FRET-pair tCO-tCnitro. FRET is confirmed and characterized inside DNA using the three adenine donors (qAN1, qAN4 and pA) with the acceptor qAnitro. These FRET-pairs can monitor energy transfer up to 1.5 turns of DNA and are hence suitable for monitoring structural changes in short DNA. This is exemplified by a study of the effect on DNA structure by binding of netropsin, showing that the interbase FRET is sensitive to small changes in DNA structure. The previously reported tCO-tCnitro are here both incorporated into RNA and interbase FRET in RNA is measured for the first time. This is an important step since RNA, among other things, has proved to be a key player in cell regulation and hence of high interest and importance. Lastly the change in interbase FRET upon inducing a change from A- to Z-form RNA is shown to be significant, again highlighting the potential of interbase FRET in nucleic acid structure investigations.

adenine analogue

Fluorescent base analogue

FRET

thymine analogue

netropsin

fluorescence

DNA

RNA

Z-RNA

Kollektorn, Kemivägen 9
Opponent: Prof. Niko Hildebrandt, NanoBioPhotonics, The Institute for Integrative Biology of the Cell (I2BC) UMR 9198, France

Författare

Moa Sandberg Wranne

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemi och biokemi, Fysikalisk kemi

Second-Generation Fluorescent Quadracyclic Adenine Analogues: Environment-Responsive Probes with Enhanced Brightness

Chemistry - A European Journal,; Vol. 21(2015)p. 4039-4048

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Development of bright fluorescent quadracyclic adenine analogues: TDDFT-calculation supported rational design

Scientific Reports,; Vol. 5(2015)p. art. no. 12653-

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Toward Complete Sequence Flexibility of Nucleic Acid Base Analogue FRET

Journal of the American Chemical Society,; Vol. 139(2017)p. 9271-9280

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Sarangamath, S., Füchtbauer, A. F., Bood, M., Wranne, M. S., El-Sagheer, A. H., Brown, T., Gradén, H., Grøtli, M., Wilhelmsson, L. M. Lighting up DNA with the pH responsive bright adenine analogue qAN4

Pentacyclic adenine: A versatile and exceptionally bright fluorescent DNA base analogue

Chemical Science,; Vol. 9(2018)p. 3494-3502

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Wranne, M. S.*, Füchtbauer, A. F.*, Weis, E., Bood, M., Pfeiffer, P., Nilsson J. R., Dahlén, A., Grøtli, M., Wilhelmsson, L. M. Interbase FRET in RNA – From A to Z

DNA och RNA är extremt viktiga molekyler. De finns i våra celler, och är en central del av maskineriet som håller oss friska. När något går fel i cellmaskineriet är det ofta förödande. För att förstå hur celler fungerar och för att kunna förebygga eller bota vissa sjukdomar behöver vi ökad förståelse för både DNA och RNA och hur de beter sig under olika förhållanden. En stor mängd kunskap har samlats in de senaste decennierna men det finns fortfarande mycket kvar att förstå. En stor bit av det fortfarande ofullständiga pusslet handlar om att förstå deras tre-dimensionella struktur, deras dynamik och hur de interagerar med andra molekyler. Denna avhandling handlar om hur korta DNA- och RNA-bitar kan göras fluorescenta (självlysande) med hjälp av så kallade basanaloger och hur dessa kan användas för att studera DNA- och RNA-strukturerna och deras interaktioner med andra molekyler. 

Fluorescens är ett attraktivt verktyg för att studera biologiskt relevanta molekyler eftersom det är relativt lättillgängligt, kan användas på molekyler i vattenlösning och möjliggör mätningar i realtid. DNA och RNA är i sig själva inte fluorescenta och måste därför märkas med fluorescenta molekyler. Fokus i denna avhandling ligger på att utveckla och studera märkning med fluorescenta basanaloger, dessa är så lika de naturliga baserna i DNA och RNA så att de kan användas utan att strukturen eller funktionen hos DNA och RNA påverkas. Eftersom basanalogen befinner sig inne i själva DNA- eller RNA-molekylen kan den, om den har rätt egenskaper, rapportera om små förändringar i strukturen eller omgivningen.

Denna avhandling fokuserar extra på utveckling av basanaloger som möjliggör mätning av energiöverföring mellan dem. Energiöverföringen kan mätas med fluorescens och är starkt beroende av avstånd och vinkel mellan basanalogerna. Detta innebär att mängden energiöverföring kan ge information om förändringar i avstånd och vinkel mellan basanalogerna och därmed indirekt om förändringar i DNA- och RNA-strukturen också. När arbetet med avhandlingen påbörjades fanns endast ett sådant basanalogpar tillgängligt för DNA och inget för RNA. I detta arbete presenteras tre nya par för DNA och dessutom introduceras också det första paret för RNA. Introduktionen av denna metod för RNA är viktigt då RNA har en mer varierad tre-dimensionell struktur med mycket dynamik jämfört med DNA. Det pågår intensiv forskning angående RNA-baserade mediciner och förhoppningsvis kan basanaloger hjälpa utvecklingen av dem framåt. I avhandlingen exemplifieras möjligheterna med energiöverföring mellan basanaloger med en studie av hur strukturen av DNA-helixen ändras när netropsin, en liten polyamid med antibiotiska egenskaper, binder till DNA samt en studie på förändringen i energiöverföring när dubbelsträngat RNA ändras från en höger- till en vänster-vriden helix.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik (2010-2017)

Livsvetenskaper och teknik (2010-2018)

Ämneskategorier

Fysikalisk kemi

Biokemi och molekylärbiologi

Biofysik

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

ISBN

978-91-7597-824-6

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4505

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Kollektorn, Kemivägen 9

Opponent: Prof. Niko Hildebrandt, NanoBioPhotonics, The Institute for Integrative Biology of the Cell (I2BC) UMR 9198, France

Mer information

Senast uppdaterat

2018-11-15