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DNA long-term stability and integrity is of importance for applications in DNA based bio-dosimetry, data-storage, pharmaceutical quality-control, donor insemination and DNA based functional nanomaterials. Standard protocols for these applications involve repeated freeze-thaw cycles of the DNA, which can cause detrimental damage to the nucleobases, as well as the sugar-phosphate backbone and therefore the whole molecule. Throughout the literature three hypotheses can be found about the underlying mechanisms occurring during freeze-thaw cycles. It is hypothesized that DNA single-strand breaks during freezing can be induced by mechanical stress leading to shearing of the DNA molecule, by acidic pH causing damage through depurination and beta elimination or by the presence of metal ions catalyzing oxidative damage via reactive oxygen species (ROS). Here we test these hypotheses under well defined conditions with plasmid DNA pUC19 in high-purity buffer (1xPBS) at physiological salt and pH 7.4 conditions, under pH 6 and in the presence of metal ions in combination with the radical scavengers DMSO and Ectoine. The results show for the 2686 bp long plasmid DNA, that neither mechanical stress, nor pH 6 lead to degradation during repeated freeze-thaw cycles. In contrast, the presence of metal ions (Fe2+) leads to degradation of DNA via the production of radical species.
Small-angle X-ray scattering (SAXS) can be used for structural determination of biological macromolecules and polymers in their native states (e.g. liquid phase). This means that the structural changes of (bio-)polymers, such as proteins and DNA, can be monitored in situ to understand their sensitivity to changes in chemical environments. In an attempt to improve the reliability of such experiments, the reduction of radiation damage occurring from exposure to X-rays is required. One such method, is to use scavenger molecules to protect macromolecules against radicals produced during radiation exposure, such as reactive oxygen species (ROS). In this study we investigate the feasibility of applying the compatible solute, osmolyte and radiation protector Ectoine (THP(B)), as a scavenger molecule during SAXS measurements of the single-stranded DNA-binding protein Gene-V Protein (G5P/GVP). In this case, we monitor the radiation induced changes of G5P during bio-SAXS measurments and the resulting microscopic energy-damage relation was determined from microdosimetric calculations by Monte-Carlo based particle scattering simulations with TOPAS/Geant4 and a custom target-model. This resulted in a median-lethal energy deposit of pure G5P at 4 mg mL−1 of E1/2 = 7 ± 5 eV, whereas a threefold increase of energy-deposit was needed under the presence of Ectoine to reach the same level of damage. This indicates that Ectoine increases the possible exposure time before radiation-damage to G5P is observed. Furthermore, the dominant type of damage shifted from aggregation in pure solutions towards a fragmentation for solutions containing Ectoine as a cosolute. These results are interpreted in terms of indirect radiation damage by reactive secondary species, as well as post-irradiation effects, related to preferential-exclusion of the cosolute from the protein surface. Hence, Ectoine is shown to provide a non-disturbing way to improve structure-determination of proteins via bio-SAXS in future studies.
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.
The compatible solute and osmolyte ectoine is an effective protectant of biomolecules and whole cells against heating, freezing and high salinity. The protection of cells (human Keratinocytes) by ectoine against ultraviolet radiation was also reported by various authors, although the underlying mechanism is not yet understood. We present results on the irradiation of biomolecules (DNA) with ionizing radiation (high energy electrons) in fully aqueous environment in the presence of ectoine and high salt concentrations. The results demonstrate an effective radiation protection of DNA by ectoine against the induction of single strand breaks by ionizing radiation. The effect is explained by an increased in low-energy electron scattering at the enhanced free-vibrational density of states of water due to ectoine, as well as the action of ectoine as an OH-radical scavenger. This was demonstrated by Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance (EPR) and Monte-Carlo simulations (Geant4).
Bei der Behandlung von Krebs mittels Strahlentherapie sollen Tumorzellen abgetötet werden ohne das umliegende gesunde Gewebe zu zerstören. Um Strahlentherapien für Patienten verträglicher zu machen, ist ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse auf der molekularen Ebene nötig. Dabei sind der Energieeintrag und die Streuprozesse der Strahlung in der Umgebung der DNA von besonderem Interesse. Durch Streuung von hochenergetischer Strahlung in Wasser werden besonders viele Sekundärelektronen mit niedriger Energie erzeugt. Zur Untersuchung der Schädigungseffizienz dieser Elektronen wurde ein Verfahren zur direkten Bestrahlung von Lösungen mittels Elektronen variabler Energien enwtickelt. Dies wurde durch einen neu entwickelten Probenhalter mit einer für Elektronen durchlässigen Nanomembran ermöglicht. Mit diesem können Bestrahlungen an DNA, Proteinen, und Zellen bei verschiedenen pH-Werten oder Salzkonzentrationen durchgeführt werden. Parallel dazu wurde der ortsabhängige Energieeintrag innerhalb des Wassers durch Elektronenstreusimulationen bestimmt. Diese neuartige Kombination von Experiment und Simulation ermöglicht die Bestimmung der Schaden-Dosis-Relation für Elektronenbestrahlung von biologischen Systemen unter realistischen physiologischen Bedingungen. So konnten für die genutzten Primärelektronen wie die mittlere letale Dosis, bei der 50 Prozent der DNA geschädigt sind, mit 1,7 Gy bestimmt. Ebenfalls wurde das für mikrodosimetrische Modellierungen und Betrachtungen der sogenannten Linear energy transfer (LET) Effekte, wichtige Verhältnis von DNA Einzelstrangbrüchen (SSB) zu Doppelstrangbrüchen (DSB) als SSB/DSB = 12/1 bestimmt. Mit Hilfe eines Modells für das Targetvolumen der DNA wurde 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. Diese Methode ist unabhängig von den Primärpartikel und geometrischen Bedingungen. Deshalb ermöglicht sie die Vergleichbarkeit experimenteller Systeme mit inhomogenen Energieverteilungen, welches sonst nicht gegeben ist. Des weiteren wurden die Strahlenschutzfunktionen des Zellschutzmoleküls Ectoines und sein Einfluss auf Wasser und Biomoleküle untersucht. Seine Schutzfunktion gegen ionisierende Strahlung wurde auf die Erhöhung des Streuquerschnitts niederenergetischer Elektronen und seine Eigenschaft als OH-Radikalfänger zurückgeführt. Aufbauend auf unseren Erkenntnissen finden in klinischen Arbeitsgruppen Untersuchungen zu Einsatzmöglichkeiten im Umfeld der Strahlentherapie statt.
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245767821
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 compatible solute and osmolyte ectoine is an effective protectant of biomolecules and whole cells against heating, freezing and high salinity. The protection of cells (human Keratinocytes) by ectoine against ultraviolet radiation was also reported by various authors, although the underlying mechanism is not yet understood. We present results on the irradiation of biomolecules (DNA) with ionizing radiation (high energy electrons) in fully aqueous environment in the presence of ectoine and high salt concentrations. The results demonstrate an effective radiation protection of DNA by ectoine against the induction of single strand breaks by ionizing radiation. The effect is explained by an increased in low-energy electron scattering at the enhanced free-vibrational density of states of water due to ectoine, as well as the action of ectoine as an OH-radical scavenger. This was demonstrated by Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance (EPR) and Monte-Carlo simulations (Geant4).
Showcasing research from the Federal Institute for Material Research and Testing Berlin and Fraunhofer Institute for Celltherapy and Immunology Branch Bioanalytics and Bioprocesses Potsdam.
Bio-SAXS of single-stranded DNA-binding proteins: Radiation protection by the compatible solute ectoine.
We aimed to increase the possible undisturbed exposure time during bio-SAXS measurements of single-stranded DNA-binding proteins. Therefore small angle X-ray scattering was performed on Gene-V Protein (G5P/GVP), which is involved in DNA repair processes. To achieve this, irradiations were performed in presence and absence of the hydroxyl-radical scavenger and osmolyte Ectoine, which showed efficient radiation protection and prevented protein aggregation, thus allows for a non-disturbing way to improve structure-determination of biomolecules.
Small-angle X-ray scattering (SAXS) can be used for structural determination of biological macromolecules and polymers in their native states (e.g. liquid phase). This means that the structural changes of (bio-)polymers, such as proteins and DNA, can be monitored in situ to understand their sensitivity to changes in chemical environments. In an attempt to improve the reliability of such experiments, the reduction of radiation damage occurring from exposure to X-rays is required. One such method, is to use scavenger molecules to protect macromolecules against radicals produced during radiation exposure, such as reactive oxygen species (ROS). In this study we investigate the feasibility of applying the compatible solute, osmolyte and radiation protector Ectoine (THP(B)), as a scavenger molecule during SAXS measurements of the single-stranded DNA-binding protein Gene-V Protein (G5P/GVP). In this case, we monitor the radiation induced changes of G5P during bio-SAXS measurments and the resulting microscopic energy-damage relation was determined from microdosimetric calculations by Monte-Carlo based particle scattering simulations with TOPAS/Geant4 and a custom target-model. This resulted in a median-lethal energy deposit of pure G5P at 4 mg mL−1 of E1/2 = 7 ± 5 eV, whereas a threefold increase of energy-deposit was needed under the presence of Ectoine to reach the same level of damage. This indicates that Ectoine increases the possible exposure time before radiation-damage to G5P is observed. Furthermore, the dominant type of damage shifted from aggregation in pure solutions towards a fragmentation for solutions containing Ectoine as a cosolute. These results are interpreted in terms of indirect radiation damage by reactive secondary species, as well as post-irradiation effects, related to preferential-exclusion of the cosolute from the protein surface. Hence, Ectoine is shown to provide a non-disturbing way to improve structure-determination of proteins via bio-SAXS in future studies.
Accessing radiation damage to biomolecules on the nanoscale by particle-scattering simulations
(2023)
Radiation damage to DNA plays a central role in radiation therapy to cure cancer. The physico-chemical and biological processes involved encompass huge time and spatial scales. To obtain a comprehensive understanding on the nano and the macro scale is a very challenging tasks for experimental techniques alone. Therefore particle-scattering simulations are often applied to complement measurements and aide their interpretation, to help in the planning of experiments, to predict their outcome and to test damage models. In the last years, powerful multipurpose particle-scattering framework based on the Monte-Carlo simulation (MCS) method, such as Geant4 and Geant4-DNA, were extended by user friendly interfaces such as TOPAS and TOPAS-nBio. This shifts their applicability from the realm of dedicated specialists to a broader range of scientists. In the present review we aim to give an overview over MCS based approaches to understand radiation interaction on a broad scale, ranging from cancerous tissue, cells and their organelles including the nucleus, mitochondria and membranes, over radiosensitizer such as metallic nanoparticles, and water with additional radical scavenger, down to isolated biomolecules in the form of DNA, RNA, proteins and DNA-protein complexes. Hereby the degradation of biomolecules by direct damage from inelastic scattering processes during the physical stage, and the indirect damage caused by radicals during the chemical stage as well as some parts of the early biological response is covered. Due to their high abundance the action of hydroxyl radicals (•OH) and secondary low energy electrons (LEE) as well as prehydrated electrons are covered in additional detail. Applications in the prediction of DNA damage, DNA repair processes, cell survival and apoptosis, influence of radiosensitizer on the dose distribution within cells and their organelles, the study of linear energy transfer (LET), the relative biological effectiveness (RBE), ion beam cancer therapy, microbeam radiation therapy (MRT), the FLASH effect, and the radiation induced bystander effect are reviewed.