Study of nucleic-acid structure and interactions by resonance Raman scattering

Abstract

Navzdory desetiletím intenzivního výzkumu jsou nukleové kyseliny (NK) stále před- mětem strukturních studií. V průběhu této doktorské práce byl postaven a optimalizován přístroj na měření rezonančních Ramanových spekter buzených v UV oblasti (UV RRS). Na základě analýzy publikovaných dat a rozsáhlého souboru měření UV RRS modelových struktur NK, mononukleotidů a plynukleotidů, byla vytvořena komplexní interpretační tabulka. Navržená metodologie byla ověřena nasazením v několika strukturních studiích nukleových kyselin, především při studiu vlivu hořečnatých iontů na chemickou rovnováhu mezi duplexy a triplexy tvořenými PolyA a PolyU homopolynukleotidy, studiu teplotně indukovaných strukturních změn u DNA dvoušroubovice a DNA vlásenek a výzkumu po- malého konformačního přechodu guaninového kvadruplexu kontrolovaného přítomností draselných iontů. Výsledky ověřovacích měření a výše zmíněných studií prokázaly že na- vržená metodologie pro studium UV RRS NK umožňuje využití většiny předností rezo- nančního buzení: možnosti měření Ramanova rozptylu při stejných koncentracích jako pro měření UV absorpce, velké citlivosti na drobné strukturní změny způsobené změnou teploty a dobré interpretovatelnosti naměřených spekter. 1

Despite the decades of intensive research, nucleic acids represent still a permanent object of structural studies. Within the framework of the doctoral work, the apparatus for measurement of UV excited resonance Raman spectra (UV RRS) was built up and optimized. A realistic and complex interpretation table was prepared based on analysis of published data and extensive series of UV RRS measurements on NA model structures, mononucleotides, and polynucleotides. The established methodology was verified when applied in several structural studies of nucleic acids, mainly the study of the influence of magnesium ions on the equilibrium between duplexes and triplexes formed by PolyA and PolyU homopolynucleotides, a study of temperature-induced structural changes in DNA double helix and DNA hairpin, and investigation of slow structural transitions of guanine quadruplexes induced by the presence of potassium ions. The results of the test measurements and the above-mentioned studies have shown that the created methodology for studying UV RRS of nucleic acids brings most of the expected benefits of the resonance excitation: the possibility of Raman scattering measurements at the same concentrations as in the case of UV absorption, high sensitivity to fine temperature-induced structural changes and good interpretability...