Dokument: NMR spectroscopic and biophysical characterisation of functional DNA

Titel:	NMR spectroscopic and biophysical characterisation of functional DNA
Weiterer Titel:	NMR-spektroskopische und biophysikalische Charakterisierung funktioneller DNA
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=73155
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260507-110352-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schmuck, Jessica Felice [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 12,13 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 04.05.2026 / geändert 04.05.2026
Beitragende:	Dr. Etzkorn, Manuel [Gutachter] Prof. Dr. Heise, Henrike [Gutachter]
Stichwörter:	NMR spectroscopy, Nucleic acids, DNAzymes, G-Quadruplex, NMR spectroscopy of nucleic acids, functional DNA
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Seit der ersten Entdeckung von Nukleinsäuren im Jahr 1869 hat sich unser Verständnis erweitert, und ihre Bedeutung hat sich von einem reinen Baustein des Lebens zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Biologie, Biochemie, Medizin und Biotechnologie gewandelt. Diese funktionale Vielfalt spiegelt sich jedoch nicht in den von der Natur bereitgestellten Bausteinen wider, weshalb es von entscheidender Bedeutung ist, zu verstehen, wie Sequenzen, Metallionen, biophysikalische Faktoren (z. B. Temperatur oder pH-Wert) sowie zelluläre, zellähnliche oder synthetische Umgebungen die Funktion und Anwendungen bestimmen. Insgesamt zielt diese Arbeit darauf ab, aufzuklären, wie die Struktur, Faltung und Dynamik von Nukleinsäuren mit deren Funktion zusammenhängen, um funktionelle Nukleinsäuren zu verbessern oder anzuwenden. Diese Arbeit konzentriert sich auf drei Klassen funktioneller DNA: ein selbstspaltendes DNAzym(1), zwei RNA-spaltende DNAzyme (Dz46-ähnliche (2) und DNAzyme 8-17 (3)), und ein G-Quadruplex (4), deren Vielfalt sich in ihren Funktionen und Anwendungen als Therapeutika, Biosensoren und Zielmoleküle bei Krankheiten widerspiegelt. Im Einzelnen befasst sich diese Arbeit unter Verwendung von NMR-Spektroskopie und biophysikalischen Ansätzen mit (1) der funktionellen, strukturellen und mechanistischen Charakterisierung eines völlig neuen und innovativen selbstspaltenden DNAzym-Systems, (2) dem Einfluss von Nukleinsäuremodifikationen auf die Struktur und Faltung eines RNA-spaltenden Dz46-ähnlichen DNAzyms, (3) wie die Wahl der Zielnukleinsäuren für das RNA-spaltende DNAzym 8-17, dessen Struktur und katalytische Aktivität beeinflusst und (4) wie und ob ein Chemotherapeutikum interagiert. Diese Arbeit offenbart einen Paradigmenwechsel im Verständnis von DNA-Katalysatoren, da das Pin-System (1) zur Katalyse seiner Spaltungsreaktion nicht auf ein stabiles, strukturelles Gerüst angewiesen ist. Unsere Studien zeigen, dass Pin in einem dynamischen Wechselspiel zwischen Konformationsplastizität und dem Cadmium-Cofaktor wirkt. Für das Dz46-ähnliche DNAzym (2) zeigt diese Arbeit: Eine Veränderung der Schnittstelle führt zu einer erhöhten Gesamtdynamik des Systems; das Fehlen von drei Nukleotiden in den Zielerkennungsarmen verhindert die Bildung eines DNAzym-RNA-Komplexes; die G14-MOE-Modifikation in der katalytischen Kernsequenz verbessert die katalytische Aktivität und Faltung, was zu einem intermediate exchange des Systems führt, der eine weitere Auswertung verhindert. Die Ergebnisse für das RNA-spaltende DNAzym 8-17 (3) zeigen, dass ein chimäres DNA-Zielmolekül im Vergleich zum üblichen RNA-Zielmolekül die katalytische Spaltaktivität verstärkt und die Faltung des DNAzym-Zielkomplexes verändert. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse der Interaktionsstudie mit dem krebsauslösenden G-Quadruplex (4) und dem Chemotherapeutikum Doxorubicin stark auf eine spezifische Bindung durch Stabilisierung des G-Quadruplex hin, was die jüngsten in-vivo-Studien deutlich untermauert. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die untersuchte Wirkungsweise funktioneller Nukleinsäuren durch ihre Konformation und Dynamik definiert ist, die direkt mit Faktoren wie Sequenz, Temperatur, Metallionen und der Umgebung zusammenhängen. NMR-Spektroskopie und biophysikalische Methoden zeigen ihr Potenzial als vielseitige Werkzeuge. Since the first discovery of nucleic acids in 1869, our understanding has diversified, and their importance has expanded from being solely a building block of life to becoming an essential tool in biology, biochemistry, medicine, and biotechnology. However, this functional diversity is not reflected in the building blocks provided by nature, making it crucial to understand how sequences, metal ions, biophysical factors (e.g., temperature or pH), and cellular, cellular-like, or synthetic environments determine function and applications. Overall, this thesis aims to elucidate how the structure, folding, and dynamics of nucleic acids relate to their function, to improve or apply functional nucleic acids. This thesis focuses on three classes of functional DNA: a self-cleaving DNAzyme (1), two RNA-cleaving DNAzymes (Dz46-like (2) and DNAzyme 8-17 (3)), and a G-quadruplex (4), whose diversity is reflected in their functions and applications as therapeutics, biosensors, and target in diseases. In detail, this thesis addresses using NMR spectroscopy and biophysical approaches (1) how a completely new and innovative self-cleaving DNAzyme system is functionally, structurally and mechanistically characterised, (2) how nucleic acid modifications influence the structure and folding of an RNA-cleaving Dz46-like DNAzyme, (3) how the choice of target nucleic acids for the RNA-cleaving DNAzyme 8-17 influences its structure and catalytic activity, and (4) how and if a chemotherapeutic is interacting with a cancer-driving G-quadruplex. This thesis reveals a paradigm shift in the understanding of DNA catalysts, as the pin system (1) does not rely on a stable structural framework to catalyse its cleavage reaction. Our studies reveal that pin acts in a dynamic interplay between conformational plasticity and the cadmium cofactor. For the Dz46-like DNAzyme (2), this thesis reveals: changing the cleavage site pattern leads to increased overall system dynamics; a shortage of three nucleotides in target binding arms abolishes the formation of a DNAzyme-RNA complex; the G14 MOE modification in the catalytic loop improves the catalytic activity and folding, leading to intermediate exchange of the system, which prevented further assessment. Results for the RNA-cleaving DNAzyme 8-17 (3) highlight that a chimeric DNA target, compared to the usual RNA target, enhances the catalytic cleavage activity and alters the folding of the DNAzyme-target complex. Moreover, the results of the interaction study with the cancer-driving G-quadruplex (4) and the chemotherapeutic doxorubicin strongly indicate a specific binding through stabilisation of G-quadruplex, strongly supporting recent in vivo studies. In summary, this thesis demonstrates that the studied function of functional nucleic acids is defined by their conformation and dynamics, which are directly connected by factors such as sequence, temperature, metal ions, and the environment. Additionally, NMR spectroscopy and biophysical methods are demonstrating their potential as versatile tools for comprehensive scientific analysis of an increasing diversity of nucleic acids.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Physikalische Biologie
Dokument erstellt am:	07.05.2026
Dateien geändert am:	07.05.2026
Promotionsantrag am:	11.12.2025
Datum der Promotion:	30.04.2026