Ribonukleinsyra (RNA) spelar en nyckelroll i biokemiska processer som sker på cellnivå i en vattenmiljö. Mekanismer och dynamik för interaktionen mellan RNA och vatten avslöjades nu genom vibrationsspektroskopi på ultrakorta tidsskalor och analyserades med djupgående teori.

Ribonukleinsyra (RNA) representerar en elementär beståndsdel i biologiska celler. Medan deoxiribonukleinsyra (DNA) fungerar som bärare av genetisk information, RNA uppvisar en mycket mer komplex biokemisk funktionalitet. Detta inkluderar överföring av information i form av mRNA, RNA-medierad katalytisk funktion i ribosomer, och kodning av genetisk information i virus. RNA består av en sekvens av organiska nukleobasmolekyler som hålls samman av en så kallad ryggrad bestående av fosfat- och sockergrupper. En sådan sekvens kan existera som en enda sträng eller i en parad dubbelhelix-geometri. Båda formerna är inbäddade i ett vattenskal och deras fosfat- och sockergrupper är distinkta dockningspunkter för vattenmolekyler. Vattenskalets struktur fluktuerar på en tidsskala på några tiondelar av en pikosekund. Interaktionerna mellan RNA och vatten och deras roll för bildandet av tredimensionella RNA-strukturer är endast otillräckligt förstådda och svåra att komma åt genom experiment.

Forskare från Max Born Institute har nu observerat interaktionen mellan RNA och dess vattenskal i realtid. I deras nya experimentella metod, vibrationer av RNA-ryggraden fungerar som känsliga icke-invasiva sönder för inverkan av närliggande vattenmolekyler på strukturen och dynamiken hos RNA. Den så kallade tvådimensionella infraröda spektroskopin möjliggör kartläggning av tidsutvecklingen av vibrationsexcitationer och för att bestämma molekylära interaktioner inom RNA och mellan RNA och vatten. Resultaten visar att vattenmolekyler vid RNA-ytan utför tippningsrörelser, så kallade libreringar, inom en bråkdel av en pikosekund medan deras lokala rumsliga arrangemang bevaras under ett tidsintervall längre än 10 ps. Detta beteende avviker starkt från rent vatten och styrs av de steriska gränsvillkoren som fastställs av RNA -ytan. Enskilda vattenmolekyler binder samman angränsande fosfatgrupper och bildar en delvis ordnad struktur som förmedlas genom deras koppling till sockerenheterna.

De frigörande vattenmolekylerna genererar en elektrisk kraft genom vilken vattenfluktuationerna överförs till RNA:s vibrationer. De olika ryggradsvibrationerna uppvisar ett varierat dynamiskt beteende som bestäms av deras lokala vattenmiljö och återspeglar dess heterogenitet. RNA-vibrationer kopplas också ihop och utbyter energi sinsemellan och med vattenskalet. Den resulterande ultrasnabba omfördelningen av överskottsenergi är väsentlig för att undvika en lokal överhettning av den känsliga makromolekylära strukturen. Detta komplexa scenario analyserades genom detaljerade teoretiska beräkningar och simuleringar som, bland annat resultat, möjliggjorde den första fullständiga och kvantitativa identifieringen av de olika vibrationerna i RNA-ryggraden. Jämförande experiment med DNA avslöjar likheter och karakteristiska skillnader mellan dessa två elementära biomolekyler, visar ett mer strukturerat vattenarrangemang runt RNA. Studien belyser den starka potentialen hos icke-invasiv tidsupplöst vibrationsspektroskopi för att reda ut samspelet mellan struktur och dynamik i komplexa biomolekylära system på molekylära längd- och tidsskalor.