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Water structuring induced by Ectoine as a possible explanation for its protection against radiation
(2015)
Ectoine induced water structuring as a possible explanation for its radiation protection properties
(2015)
We report on a study in which plasmid DNA in water was irradiated with 30 keV electrons generated by a scanning electron microscope and passed through a 100 nm thick Si3N4 membrane. The corresponding Monte Carlo simulations suggest that the kinetic energy spectrum of the electrons throughout the water is dominated by low energy electrons (<100 eV). The DNA radiation damage, single-strand breaks (SSB) and double-strand breaks (DSB), was determined by electrophoresis. The median lethal dose of D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy was found to be much smaller compared to partially or fully hydrated DNA irradiated under vacuum conditions. The ratio of DSB to SSB was found to be (1:12) as compared to 1:88) found for hydrated DNA. Our method enables quantitative measurements of radiation damage to biomolecules (DNA, proteins) in solutions under varying conditions (pH, salinity, cosolutes) for an electron energy range which is difficult to probe by standard methods.
Ectoine is an important osmolyte, which allows microorganisms to survive in extreme environmental salinity. The hygroscopic effects of ectoine in pure water can be explained by a strong water binding behavior whereas a study on the effects of ectoine in salty solution is yet missing. We provide Raman spectroscopic evidence that the influence of ectoine and NaCl are opposing and completely independent of each other. The effect can be explained by the formation of strongly hydrogen-bonded water molecules around ectoine which compensate the influence of the salt on the water dynamics. The mechanism is corroborated by first principles calculations and broadens our understanding of zwitterionic osmolytes in aqueous solution. Our findings allow us to provide a possible explanation for the relatively high osmolyte concentrations in halotolerant bacteria.
Ectoine, a compatible solute and osmolyte, is known to be an effective protectant of biomolecules and whole cells against heating, freezing and extreme salinity. Protection of cells (human keratinocytes) by ectoine against ultraviolet radiation has also been reported by various authors, although the underlying mechanism is not yet understood. We present the first electron irradiation of DNA in a fully aqueous environment in the presence of ectoine and at high salt concentrations. The results demonstrate effective protection of DNA by ectoine against the induction of single-strand breaks by ionizing radiation. The effect is explained by an increase in low-energy electron scattering at the enhanced free-vibrational density of states of water due to ectoine, as well as the use of ectoine as an ˙OH-radical scavenger. This was demonstrated by Raman spectroscopy and electron paramagnetic resonance (EPR).
The damage caused by ionizing radiation to biomolecules, especially DNA, is the reason to treat cancer via radiation therapy. A better understanding of the molecular processes and the quantification of the various damaging mechanisms is the prerequisit to develope efficient therapies. Hereby the understanding of the processes involved in the damage to DNA are of key interest due to its central role in reproduction and mutation. Due to the high amount of water in biological tissue, most of the damage is caused by the secondary particles produced by the interaction of the IR with water. Thereby a multitude of species are produced, e.g. kinetic low energy electrons, prehydrated electrons, OH-radicals and ions. The quantification of the contribution to DNA damage of the various species is of interest. Here we present an experimental approach to disentangle their relative DNA strand break yield. Plasmid DNA is irradiated in water with electrons under the presence of different scavengers. With the presented method it will be possible to reveal the relative contributions of OH-radicals, low energy electrons and prehydrated electrons to the DNA single and double strand break yield.
We report on the design, preparation and application of immobilized Oligonucleotides as biological sensors for dosimetry and protein activity. Oligonucleotides can be custom tailored in terms of sequence and length to the needs of the specific application. The preparation can be scaled from small lab-scales to higher output via spotting technology on various surfaces such as glass, silicon-dioxide or gold. They can be applied for the sensing of DNA-protein interaction and surface-plasmon resonance to detect the influence of cosolutes on the protein activity. This can be applied in the testing of pharmaceutical or cosmsetic applications and incorporated in microfluidic devices. Other important use cases are the usage in dosimetric application where the oligonucleotides are subjected to ionizing radiation. They can directly act as a sensor for biological damage which is detected and quantified by the subsequent hybridization of complementary strands who carry a fluorescence dye. The quantification can be performed by an array scanner or fluorescence microscope. Investigation on a molecular level can be performed with the AFM-IR technique. Applications are calibration of radiation sources and the investigation of interaction of ionizing radiation with biomolecules.
Ectoine plays an important role in protecting biomolecules and entire cells against environmental stressors such as salinity, freezing, drying and high temperatures. Recent studies revealed that ectoine also provides effective protection for human skin cells from damage caused by UV-A radiation. These protective properties make ectoine a valuable compound and it is applied as an active ingredient in numerous pharmaceutical devices and cosmetics. Interestingly, the underlying mechanism resulting in protecting cells from radiation is not yet fully understood. Here we present a study on ectoine and its protective influence on DNA during electron irradiation. Applying gel electrophoresis and atomic force microscopy, we demonstrate for the first time that ectoine prevents DNA strand breaks caused by ionizing electron radiation. The results presented here point to future applications of ectoine for instance in cancer radiation therapy.
Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter Elektronenbestrahlung
(2018)
Bei der Behandlung von Krebs wird Strahlentherapie zur Zerstörung von Tumorzellen eingesetzt. Der zugrunde liegende Wirkmechanismus ist die durch ionisierende Strahlung verursachte Schädigung an Biomolekülen. Dabei kommt den Schädigungsprozessen an DNA aufgrund ihrer zentralen Rolle in Mutation und Zelltod eine besondere Bedeutung zu. Durch den hohen Wasseranteil in menschlichen Zellen findet ein Großteil der inelastischen Streuprozesse an Wassermolekülen statt und führt zur deren Radiolyse. Die so entstehenden Radiolyseprodukte sind für einen Großteil des Schadens an DNA verantwortlich. Ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Interaktion ist die Voraussetzung um effizientere Therapien zu entwickeln.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Schädigung von DNA durch ionisierende Strahlung in Abhängigkeit der inelastischen Streuevents und des Energieeintrags innerhalb des biologisch relevanten mikroskopischen Treffervolumens zu quantifizieren. Die Bestrahlungen müssen dazu in Flüssigkeit, unter Berücksichtigung der chemischen Umgebung durchgeführt werden, welche die indirekten Schäden vermittelt. Deshalb wurde eine neuartige Kombination aus Experiment und Monte- Carlo-Simulationen entworfen und angewandt. Um Elektronenbestrahlung flüssiger Lösungen innerhalb eines Rasterelektronenmikroskops zu ermöglichen, wurde ein Probenhalter mit einer für Elektronen durchlässigen Nanomembran entwickelt. So können Bestrahlungen an DNA,
Proteinen, und Zellen bei verschiedenen pH-Werten, Salzkonzentrationen oder in Anwesenheit von Kosoluten durchgeführt werden. Für ein Modellsystem aus Plasmid-DNA in Wasser wurde damit die mittlere letale Dosis aus der Kombination der experimentellen Daten, Partikelstreusimulationen (Geant4-DNA) und Diffusionsberechnungen zu D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy bestimmt. Aus der Konvolution der Plasmidpositionen mit dem durch Elektronenstreusimulationen bestimmten ortsaufgelösten Energieeintrag wurde dessen Häufigkeitsverteilung im Targetvolumen der
Plasmide sowie der mittlere mikroskopische letale Energieeintrag berechnet als E1/2 = 6 ± 4 eV .
Es wurde gefolgert, dass weniger als zwei Ionisationsprozesse im sensitiven Targetvolumen der DNA im Mittel zu einem Einzelstrangbruch führen. Das für mikrodosimetrische Modellierungen wichtige Verhältnis von Einzelstrangbrüchen (SSB) zu Doppelstrangbrüchen (DSB) wurde als SSB : DSB = 12 : 1 bestimmt. Die vorgestellte Methode zur Bestimmung mikroskopischer Schaden-Dosis Relationen wurde auf weitere Klassen von Bestrahlungsexperimenten verallgemeinert. Dadurch ist die Methode unabhängig von der verwandten Primärstrahlung, der Probengeometrie und den Diffusionseigenschaften der untersuchten Moleküle anwendbar. So wird eine Vergleichbarkeit experimenteller Systeme mit inhomogenen Energieverteilungen erreicht, die bei ausschließlicher Betrachtung makroskopischer, gemittelter Größen nicht gegeben ist.
Des weiteren wurden die Strahlenschutzfunktionen des kompatiblen Soluts Ectoine und sein Einfluss auf Wasser und Biomoleküle untersucht. Mittels Ramanspektroskopie wurde ein kon-zentrationsabhängiger Anstieg des Anteils der Kollektivmoden des Wassers der OH-Streckschwingungen und dessen Unabhängigkeit von der Natriumchloridkonzentration beobachtet.
Molekulardynamik-Simulationen zeigten, dass die zwitterionischen Eigenschaften zur Bildung einer half-chair Konformation Ectoines führen. Die Wasserstoffbrückenbindungen in der ersten Hydrationshülle sind signifikant stabiler und besitzen höhere Lebensdauern als das Bulk-Wasser. Bestrahlung von DNA in Anwesenheit von 1 M Ectoine führt zu einer Erhöhung der Überlebensrate um den Faktor 1,41. Die Schutzfunktion wurde auf die Erhöhung des Streuquerschnitts niederenergetischer Elektronen an den akustischen Vibrationsmoden des Wasser durch Ectoine und seine Wirkung als OH-Radikalfänger zurückgeführt. Dies wurde mittels Ramanspektroskopie und Elektronenspinresonanzmessungen (ESR) nachgewiesen.