Femtochemie van DNA beslecht oude kwestie

Toen James Watson en Francis Crick in het begin van de jaren vijftig op zoek waren naar de structuur van het DNA, bracht een scheikundeleerboek hen aanvankelijk op een verkeerd spoor. Zij hadden al wat langer een acceptabele oplossing voor de ruggegraat van de dubbele helix gevonden: fosfaten en suikers. Maar hoe de basen guanine, thymine, adenine en cytosine daar in pasten was onduidelijk. Dat de twee strengen door middel van waterstofbruggen (H-bruggen) bij elkaar werden gehouden stond wel vast. Zo'n H-brug ontstaat wanneer een waterstofatoom is gebonden aan een zuurstof- of stikstofatoom. Zuurstof trekt daarbij zo hard aan de gemeenschappelijke elektronen dat het een negatieve lading krijgt, en het waterstof een positieve lading. Hiermee kan het echter een brug vormen naar een andere zuurstof.

Nu was het probleem dat tussen de vier basen op veel manieren H-bruggen kunnen worden gevormd. In de scheikundeboeken was echter sprake van een standaardstructuur, voor guanine was dat de zogenaamde enol-vorm. Hiermee ging Watson aan de gang en al spelend met modelletjes kwam hij op het idee dat in beide strengen steeds identieke basen tegenover elkaar moesten zitten. Hoewel er hierdoor een wat verwrongen structuur ontstond, was deze niet in tegenspraak met de röntgenopnamen. Uiteindelijk bracht het inzicht van een Amerikaanse post-doc uitsluitsel: de structuur was onmogelijk, omdat het guanine en thymine niet in de enol- maar juist in de keto-vorm voorkwamen. De tekstboeken hadden het bij het verkeerde eind!

Het is echter niet zo dat de afwijkende basestructuren of tautomeren daarna uit beeld waren. Watson en Crick speculeerden zelfs in hun Nature-artikel van 1953 dat deze heel goed in staat waren om schrijffouten, mutaties, in het DNA te stabiliseren. In de loop der jaren werden hiervoor echter nog meer hypothesen naar voren gebracht: van basen in geïoniseerde of geprotoneerde vorm tot zogenaamde 'wiebelstructuren'. Het bleek moeilijk om dergelijke afwijkende structuren ook echt te bestuderen, omdat ze snel in elkaar overgaan.

Onlangs werden resultaten gepubliceerd van experimenten met korte laserpulsen aan een modelverbinding voor de DNA-basen (Nature, 16 nov. '95) Het werk werd uitgevoerd aan het California Institute of Technology in de groep van Ahmed Zewail. Voor het eerst slaagden hij en zijn medewerkers er in om de overgang van de enol in de keto-vorm live te volgen aan de hand van karakteristieke absorpties en dat binnen een paar honderd femtoseconden. Een volgende stap is nu om hetzelfde ook in een oplossing te gaan doen om de ongetwijfeld belangrijke, stabiliserende rol van water te ontrafelen.

    • Rob van den Berg