Es ist schon seit längerem bekannt, dass den Menschen ein Schlüsselenzym fehlt, das Schäden am Erbstrang repariert, die durch Sonnenlicht verursacht werden. Pflanzen und die meisten Tiere hingegen, besitzen dieses Enzym und sind daher mehr oder weniger immun gegen Sonnenbrand. Nun ist es Forschern zum ersten Mal gelungen, das Enzym direkt bei der Arbeit zu beobachten und den Mechanismus aufzudecken, durch den das Enzym den Erbstrang, die DNS, wieder in Ordnung bringt.
In der online-Ausgabe von Nature beschreiben Dongping Zhong von der Ohio State University und sein Team, wie sie das Enzym „Photolyase“ bei der Arbeit beobachten konnten. Dabei wurde ein singuläres Elektron und Proton direkt in den veränderten DNS-Strang geleitet, wodurch dieser in einigen wenigen Milliardstel Sekunden seine ursprüngliche Form wieder herstellen konnte.
„Es hört sich sehr einfach an, aber diese zwei atomaren Teilchen zündeten eine sehr komplexe Kaskade chemischer Reaktionen,“ sagt Zhong, der einen Lehrstuhl für Physik an der Ohio State University inne hat. „Es geschah alles sehr schnell, und das Timing für die Aktion musste genau stimmen.“
Photolyase war zwar bereits vor dieser Entdeckung bekannt. Der Mechanismus, durch den Photolyase die DNS zu reparieren vermag, konnte allerdings bislang nicht entschlüsselt werden.
Zhong und seine Kollegen nutzten einen Trick, um der Photolyase auf die Schliche zu kommen. Sie synthetisierten zunächst DNS im Labor und exponierten diese danach ultraviolettem Licht, worauf Schäden entstanden, wie man sie typischerweise bei einem Sonnenbrand findet. Danach gaben sie Photolyase hinzu und fotografierten deren Aktion mit einem ultraschnellen Lichtpuls.
Was sie fanden, war erstaunlich. UV-Licht schädigt die Haut dadurch, dass sie die DNS dazu anregt, falsche chemische Verbindungen im Strang einzugehen. Photolyase ihrerseits scheint in der Lage zu sein, genau diese falschen Bindungen so zu lösen, dass die Moleküle wieder in ihre ursprüngliche Form zurückfallen. Die dabei frei werdenden Protonen und Elektronen werden vom Enzym wieder aufgenommen und somit recykliert. Das Enzym lädt sich also selbst wieder auf.
Photolyase ist in der Natur weit verbreitet. Alle Pflanzen und die meisten Tiere, ausser den Säugern, besitzen sie. Die Menschen haben auch Enzyme, die den Schaden durch UV-Strahlung reduzieren können. Allerdings sind diese Enzyme weniger effizient, so dass Schäden an der DNS zurückbleiben. Diese Schäden werden u. A. für den schwarzen Hautkrebs verantwortlich gemacht.
Jetzt, da der Mechanismus bekannt ist, mit dem Photolyase vorgeschädigte DNS reparieren kann, sollte es möglich sein, Medikamente und Kosmetika herzustellen, die uns besser vor der Sonne schützen, meint Zhong.
