To gain information about the function of nucleic acids, their structure and dynamics need
to be investigated. Electron paramagnetic resonance (EPR)- and fluorescence spectroscopies
are highly sensitive and valuable techniques to study nucleic acids. These methods require
incorporation of spin- and fluorescent labels prior to measurements. This doctoral
dissertation focuses on the synthesis of rigid spin- and fluorescent labels and their
incorporation into DNA and RNA for the study of structure and dynamics of nucleic acids
by EPR- and fluorescence spectroscopies.
The first part of the thesis describes a protecting group strategy to address a longstanding problem associated with spin-labeling by chemical synthesis of nucleic acids,
namely reduction of nitroxides during solid-phase synthesis. A benzoyl group was used to
protect the nitroxide by reducing the nitroxide to the corresponding hydroxylamine, followed
by benzoylation. The method was used to incorporate the rigid spin label Çm into RNA with
quantitative spin-labeling efficiency. This protecting-group strategy can be used as a general
method to incorporate nitroxide spin-labels into nucleic acids by the phosphoramidite
approach.
The second part of this thesis focuses on labeling of specific nucleic acids with rigid
spin- and fluorescent labels, namely Ç, Çm and Çmf. The rigid spin labels Ç and Çm were
incorporated into DNA and RNA, respectively, for measurements in the research group of
Prof. Thomas F. Prisner at the Goethe University in Frankfurt, by pulsed electron-electron
double resonance (PELDOR) spectroscopy. Furthermore, Çmf, the fluorescent derivative of
Çm, was incorporated into various RNAs to investigate them by fluorescence spectroscopy,
by the research group of Prof. Josef Wachtveitl at the Goethe University in Frankfurt.
The third part of the thesis describes the design and synthesis of the new rigid spin
labels Ċ and Ċm for DNA and RNA, respectively, that are carbazole-derived nitroxides and
analogues of cytidine. Crystal structure analysis indicated that Ċ and Ċm are more rigid than
the rigid spin labels Ç and Çm. Ċ and Ċm were incorporated into several oligonucleotides
and showed to be non-perturbing of duplex structure. These new rigid spin labels are
promising candidates for future studies of DNA and RNA structures and dynamics by pulsed
EPR methods.
Til að fá vitneskju um virkni kjarnsýra er nauðsynlegt að rannsaka byggingu og hreyfingu
þeirra. Litrófsgreiningar sem byggja á rafeindasegulómun (e. electron paramagnetic
resonance, EPR) og fljúrljómun eru mjög næmar og gagnlegar aðferðir til að rannsaka
kjarnsýrur. Til að unnt sé að beita slíkum mæliaðferðum er nauðsynlegt að innleiða
meðseglandi- og flúrljómandi merki inn í kjarnsýrurnar. Þessi doktorsritgerð lýsir efnasmíði
á stífum spuna- og flúrljómandi merkjum og innleiðingu þeirra inn í DNA og RNA til
rannsókna á byggingu og hreyfingu kjarnsýra með EPR- og flúrljómunarlitrófsgreiningum.
Fyrsti hluti ritgerðarinnar lýsir hvernig tekið var á þrálátu vandamáli sem tengist
spunamerkingu kjarnsýra, nánar tiltekið afoxun nítroxíða þegar kjarnsýrur eru smíðaðar á
föstu efni (e. solid-phase synthesis). Bensóýl hópur var notaður til að vernda nítroxíðið með
því að afoxa það í hýdroxýlamín, sem í kjölfarið var bensóýlað. Þessi aðferð var notuð til að
innleiða stífa spunamerkið Çm ólaskað inn í RNA. Þessa verndunaraðferð ætti að nýtast
almennt til að innleiða nítroxíð spunamerki inn í kjarnsýrur með fosfóramidíð efnasmíðum
(e. phosphoramidite approach).
Í öðrum hluta ritgerðarinnar er fjallað um merkingu ákveðinna kjarnsýra með stífum
spuna- og flúrljómandi merkjum, nánar tiltekið Ç, Çm og Çmf. Stífu spunamerkin Ç og Çm
voru innleidd í DNA og RNA sameindir til rannsókna í rannsóknarhópi prófessor Thomas
F. Prisner við Goethe Háskólann í Frankfurt, með PELDOR (e. pulsed electron-electron
double resonance) litrófsgreiningu. Þar að auki var Çmf, flúrljómandi afleiðan af Çm,
innleidd í ýmsar RNA sameindir til rannsókna með flúrljómun í rannsóknarhópi prófessor
Josef Wachtveitl við Goethe Háskólann í Frankfurt.
Loks lýsir þriðji hluti ritgerðinnar hönnun og smíði á nýjum stífum spunamerkjum, Ċ
og Ċm, fyrir DNA og RNA, sem hafa karbasól byggingu og eru afleiður af sýtidíni.
Kristalgreining bendir til að Ċ og Ċm séu enn stífari en spunamerkin Ç og Çm. Ċ og Ċm
voru innleidd í ýmis fákirni (e. oligonucleotides) og var sýnt fram á að Ċ og Ċm raska ekki
byggingu tvístrendinga (e. duplex). Þessi nýju stífu spunamerki eru vænleg fyrir rannsóknir
á byggingu og hreyfingu DNA og RNA með púlsuðum EPR mælingum.
