Mainz, University, Diss., 2004.

Universiẗat, Diss., 2006--Karlsruhe.

Zugl.: Würzburg, Univ., Diss., 2008

Mannheim, Univ., Diss., 2001.

Duisburg, Essen, Universiẗat, Diss., 2003.

University, Diss., 2004--Osnabrück.

Zugl.: Bielefeld, Univ., Diss., 2007

Stuttgart, Univ., Diss., 2004.

Die Funktionalitäten der DNA oder RNA werden hauptsächlich durch die verschiedenen Wechselwirkungen der paarenden Nucleinbasen bestimmt. Um die komplexen Zusammenhänge dieser verschiedenen Wechselwirkungen zu verstehen, werden Modellsysteme benötigt, die weniger Restriktionen durch das Rückgrat besitzen. Ein Beispiel für solche Systeme sind Peptidnucleinsäuren (PNA), in denen das Zuckerphosphatrückgrat der DNA oder RNA durch ein Peptidrückgrat ersetzt wird. Diederichsen et al. gelang es, eine große Anzahl solcher Systeme mit einen alpha-Alanyl-Rückgrat zu synthetisieren, an das kanonische und nicht-kanonische Nucleinsäuren gebunden sind. Diese Systeme aggregieren in verschiedenen Bindungsmotiven, die nicht in der DNA oder RNA auftauchen. Diese ungewöhnlichen Paarungsmotive könnten einen tiefen Einblick in das Zusammenspiel der Wechselwirkungen der Nucleinbasen geben, aber die geringen Löslichkeit der alpha-Alanyl-PNA Oligomere verhinderte eine experimentelle Charakterisierung der geometrischen Anordnung durch Röntgenstruktur- oder NMR-Experimente. Lediglich die absolute Stabilität der verschiedenen Aggregate konnte durch Messungen der Schmelztemperatur mit Hilfe der UV-Spektroskopie bestimmt werden. Da die Kenntnis der geometrischen Strukturen sowie der ausgebildeten Bindungsmotive wichtig ist, um einen Einblick in das Zusammenspiel der einzelnen Wechselwirkungen zu erlangen, besteht das Ziel der vorliegenden Arbeit darin, solche Informationen mit der Hilfe von theoretischen Methoden zu erlangen. Zusätzlich sind Effekte von Interesse, aus denen sich Trends bezüglich der Stabilität bestimmen lassen. Solche Untersuchungen sind einfacher zu realisieren als die Berechnung der absoluten Stabilitäten, da viele Beiträge zur absoluten Energie für ähnliche Systeme (entropische und dynamische Effekte) in etwa gleich groß sind. Somit sind diese entropischen und dynamischen Effekte für das Ziel dieser Arbeit weniger wichtig. Zur Untersuchung der Bindungseigenschaften und der Stabilitäten von alpha-Alanyl-PNA Oligomeren war es notwendig, bis dato nicht parametrisierte Nucleinbasen in den Parametersatz des Amber4.1 Kraftfelds zu integrieren. Die fehlenden Ladungen wurden durch Berechungen mit dem R.E.D-Programm-Paket ermittelt. Das Programm bestimmt aus dem elektrostatischen Potential einer optimierten Struktur die atomzentrierten Ladungen. Die fehlenden Bindungsparameter wurden der Literatur entnommen. Die Untersuchungen der einzelnen Dimere begannen jeweils mit der Konstruktion der alpha-Alanyl-PNAs für alle möglichen Paarungsmodi. Es konnte gezeigt werden, dass bestimmte Paarungsmodi aufgrund der geometrischen Gegebenheiten der Dimere und des Rückgrats nicht realisierbar waren. Für andere Dimere war ein Aufbau der alpha-Alanyl-PNA-Dimere zwar möglich, jedoch zerfielen die Dimere wieder während einer ersten Geometrieoptimierung aufgrund der hohen Spannung im Rückgrat. Die stabilen Systeme wurden zunächst in verschiedenen Molekulardynamik-(MD)-Läufen simuliert. Informationen über die Geometrie bei T=0 K wurden durch Geometrieoptimierungen erhalten, die an verschieden Punkten der MD Läufe gestartet wurden. Die resultierenden Geometrien aus den verschiedenen Anfangspunkten waren identisch. Für die geometrieoptimierten Strukturen wurden für das T=0 K Modell die Wechselwirkungsenergien zwischen den Nucleinbasen und der Einfluss der Rückgrats auf die Stabilität der Dimer in zwei separaten Schritten bestimmt. Im ersten Schritt wurde das Rückgrat entfernt und die Schnittstellen mit Methylgruppen abgesättigt. Die Wechselwirkungsenergie zwischen den Nucleinbasen wurde durch die Differenz der Energien des gesamten Systems und der Summe der Energien der einzelnen Nucleinbasen in der Geometrie des Dimers bestimmt. Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen und die sich daraus ergebenen Korrelation der berechneten Stabilisierungsenergien mit der Schmelztemperatur konnte gezeigt werden, dass mit der vorgeschlagenen Methode eine verlässliche Beschreibung der PNA Systeme möglich ist. Für eine weitere Verbesserung des vorgestellten Modells bedarf es zusätzliche Röntgenstruktur- oder NMR-Experimente, die zur Strukturaufklärung der alpha-Alanyl-PNA Dimere entscheidend beitragen. Weitere detaillierte Daten über die Enthalpiebeiträge zur absoluten Energie der verschiedenen Komplexe wären sehr hilfreich, um die vorgestellte Methode zu bestätigen und zu verbessern. Diese Informationen könnten zum einen durch die Auswertung der Form der Schmelzkurve sowie durch Mikrokalorimetrie erhalten werden. Für den Fall, dass die Vorhersagen durch die experimentellen Befunde bestätigt würden, könnte der Ansatz auf verwandte Systeme wie zum Beispiel beta-Alanyl-PNA, DNA oder RNA angewandt werden. Durch diese weiteren Informationen könnte unser Ansatz zusätzlich durch die Berücksichtigung von dynamischen und/oder entropischen Effekte erweitert werden. / The functionalities of DNA and RNA are mainly determined by the various interactions between the pairing nucleobases. To understand the complex interplay of the various interactions model systems are needed in which the interstrand pairing is less restricted by the backbone. Such systems are peptide nucleo acids (PNA) in which the sugar phosphate backbone of DNA or RNA is replaced by a peptide backbone. Diederichsen et al. were able to synthesize a large number of systems with an alpha-alanyl backbone to which canonical and non-canonical nucleobases were attached (alpha-alanyl-PNA). These systems formed aggregates with various binding motifs which do not appear in DNA or RNA. Especially the unusual binding motifs would allow a deep insight into the complex interplay of the interactions between nucleobases but the small solubility of alpha-alanyl PNA oligomers hampers the experimental determination of the geometrical arrangement by X-Ray or NMR. Only the overall stability of the various aggregates could be determined by measurements of melting temperatures via UV spectroscopy. Since a detailed knowledge about the geometrical structure and bonding motifs are necessary to obtain insight into the interplay of the various interactions it is the goal of the present work to achieve such information with the help of theoretical approaches. Additionally we are interested in the effects which govern the trends in the stabilities of the systems. This task should be simpler than an investigation of the absolute stabilities since many contributions (e.g. entropic and dynamic effects) can be expected to be similar for similar systems. Consequently, such effects are less important for our goal. For the investigation of all experimentally tested alpha-alanyl-PNA oligomers it was essential to parameterize the noncanonical nucleobases since they were not implemented in the standard version of the Amber4.1 force field. This was achieved by adding the missing parameters to the Amber Force Field. The charges of each nucleobase were determined by the R.E.D program package. The investigation started with the construction of all possible pairing modes for alpha-alanyl-PNA dimer. It could be observed that certain pairing modes were not realizable due to the geometrical arrangement of the dimer and the restriction of the backbone. For other pairing modes a construction was possible, but due to the geometrical restrictions of the backbone the strain in the system is so high that they fall apart during a first geometry optimization. Stable systems were then simulated by various molecular dynamics (MD)-runs. Information about their geometrical arrangements for T=0 K were obtained from geometry optimizations which were started from various points of the MD-run. The resulting geometries were found to be virtually identical. Information about the interactions within a dimer at T=0 K were obtained from a two step procedure in which the effects connected with the nucleobases and the influence of the backbone are determined separately. It was performed for the optimized geometries. In a first step the backbone was removed and the resulting dangling bonds were saturated by methyl groups. The total interaction energy between the nucleobases can now be estimated by the difference between the energy of the complete system and the sum of the energies of the single nucleobases computed at the geometries they take in the whole system. According to the carried out investigation and the resulting correlation of the melting temperature with the calculated stabilization energies the presented method seems to represent a reliable tool for the description of the PNA systems. Despite this success additional experimental verifications of our method are necessary to ensure its applicability. Such verifications could be based on geometrical information obtained via X-Ray or NMR investigations. More detailed data about entropic an enthalpic contribution to the stability of the various complexes would also be very helpful to verify and improve our approach. Such information could be either obtained from a careful analysis of shape of the melting temperature curve or from microcalorimetric investigations. If such tests confirm our predictions the approach could be extended and applied to neighboring fields as for examples beta-alanyl-PNA, DNA or RNA systems with unusual nucleobases. Such information is also necessary to extend our approach in a way that dynamic and/or entropic effects are also taken into account.

München, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.