Mange biologisk vigtige molekyler ændrer form, når de stimuleres af UV -stråling. Selvom denne egenskab også findes i nogle lægemidler, er den endnu ikke godt forstået. Ved hjælp af en innovativ teknik, et internationalt team, der involverer forskere fra Goethe University Frankfurt, har den europæiske Xfel i Schenefeld og Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy i Hamburg belyst denne ultra-faste proces og gjort den synlig i langsom bevægelse med hjælp af røntgenlys. Metoden åbner spændende nye måder at analysere mange andre molekyler på.
Undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation.
“Vi undersøgte molekylet 2-thiouracil, der hører til en gruppe af farmaceutisk aktive stoffer baseret på visse DNA-byggesten, nucleobaserne,” siger undersøgelsens sidste forfatter Markus Gühr, leder af Desy’s fri-elektron laser-flash og professor i kemi ved University of Hamburg. 2-thiouracil og dets kemisk relaterede aktive stoffer har et svovlatom, der giver molekylerne sine usædvanlige, medicinsk relevante egenskaber.
“Et andet specielt træk er, at disse molekyler bliver farligt reaktive, når de udsættes for UV -stråling.” Undersøgelser viser en øget risiko for hudkræft på grund af denne virkning.
For bedre at forstå, hvad der sker under sådanne processer, brugte forskerteamet en allerede veletableret metode, hvilket bragte det til et nyt niveau ved at anvende de tilgængelige tekniske muligheder i dag.
“Coulomb-eksplosionsafbildning involverer bestråling af et molekyle med intense røntgenpulser, der slår elektroner ud,” forklarer indtil Jahnke, professor i eksperimentel atom- og molekylær fysik ved Goethe University og undersøgelsens første forfatter. “Dermed oplades molekylet positivt og bliver således ustabilt, så det er revet fra hinanden inden for fraktioner af et sekund.”
Ved at spore den retning, i hvilken de forskellige fragmenter af molekylet – atomerne – flyver fra hinanden, er det muligt at udlede information om molekylets struktur.
Til dato havde coulomb -eksplosionsafbildning kun givet nyttige resultater for meget enkle molekyler. Ved hjælp af en eksperimentel opsætning, der er specielt udviklet på Goethe University, kombinerede forskerteamet nu denne teknik med verdens mest kraftfulde røntgenlaser, europæisk XFEL ved hjælp af SQS (“små kvantesystemer”) videnskabeligt instrument for Euxfel.
“Dette eksperiment er en teknisk innovation på mange måder, og det udgør en vigtig udvidelse af de eksperimentelle muligheder, der er tilgængelige på SQS -instrumentet. For første gang nogensinde er det nu muligt at bruge disse billeddannelsesteknikker på et biologisk og medicinsk relevant molekyle og ikke kun for grundlæggende fysikforskning,” siger Michael Meyer, leder af SQS -instrumentet, om det vellykkede eksperiment.
Europæiske Xfels enormt kraftige røntgenstrålepulser gjorde det muligt at fragmentere dette molekyle og derved udføre en analyse af dens struktur. Forskerne sendte molekylerne ind i røntgenstråle-laserstrålen ved hjælp af en fin gasdyse, hvilket betyder, at kun enkelt, isolerede molekyler bestråles ad gangen. En yderligere UV-puls, bestrålet kort før røntgenpulsen, blev anvendt til at begejstre molekylerne.
“Ved at variere tidsintervallet mellem de to impulser, bliver det muligt at få noget som en langsom bevægelse af disse processer, der finder sted med en fantastisk hastighed inden for 100-1000 femtosekunder, det er mindre end en milliondel af en million af et sekund,” forklarer Jahnke. Ved afslutningen af processen registrerede en sofistikeret detektor påvirkningspunkter og tider for de forskellige atomer på 2-thiouracil.
Eksperimentet afslørede to vigtige fund, hvoraf den første vedrører 2-thiouracil: UV-stråling får dette ellers flade molekyle til at bøje, hvilket igen resulterer i fremspringet af svovlatomet. Denne tilstand er stabil i relativt lang tid; Det sikrer, at molekylet bliver meget reaktivt og kan forårsage hudkræft, for eksempel.
“Dette er også en betydelig forskel for almindelige nukleobaser, som er strukturelt meget ens, men ikke har et svovlatom,” siger Gühr. “I stedet har de en mekanisme til at håndtere UV -stråling og i sidste ende konvertere den til ufarlig varme via forskellige excitation og svingningstilstande.” I tilfælde af 2-thiouracil forhindrer svovlatomet en sådan konvertering.
“Den anden konstatering er relateret til selve den eksperimentelle teknik,” siger Jahnke. “Som vi har set, behøver vi ikke at spore alle atomer af detektoren for at rekonstruere molekylet og dets strukturelle ændringer. Alt, hvad vi havde brug for i dette tilfælde, var at måle svovl- og iltatomer såvel som de fire brintkerner, og vi kunne ignorere de seks carbonatomer.”
Denne konstatering vil markant forenkle målinger i fremtidige undersøgelser af endnu mere komplekse molekyler og illustrerer klart de enorme muligheder for denne innovative metode.