Ultrasnabb protonöverföring – DNA:ets försvar mot solljus

Bilden visar hur energi från ljus kan ändra strukturen hos 2-tiopyridon. Absorption av optiskt ljus leder till protonöverföring, medan med röntgenljus kan man studera när C-N bindningen bryts.
Bilden visar hur energi från ljus kan ändra strukturen hos 2-thiopyridon. Absorption av optiskt ljus leder till protonöverföring, medan röntgenljus försvagar molekylens ringstruktur. (Copyright: T. Splettstoesser/ Helmholtz-Zentrum Berlin)

Forskare vid Fysikum har i ett internationellt samarbete demonstrerat hur synligt ljus kan användas för att förflytta protoner förvånansvärt snabbt. Upptäckten bidrar till förståelsen av hur biomolekyler, exempelvis mänskligt DNA, kan skydda sig mot UV strålning.

Absorption av synligt eller ultaviolett ljus resulterar vanligen i att kemiska bindingar bryts. I vissa fall kan konsekvenserna bli förödande; exponenering för helt vanligt solljus kan exempelvis leda till farliga mutationer i vårt mänskliga DNA. Men evolutionen har lett till att många biomolekyler har sätt att kanalisera energin hos ljuset. Bindningar till naturens lättaste grundämne väte (vars atomkärna består av en enda proton) är både lätta att bryta och att bilda på nytt, vilket därför kan ge ökad stabilitet till en molekyls övriga bindingar.

För att studera protonöverföring efter ljusabsorption hos en liten organisk molekyl, 2-thiopyridone, i vattenlösning utförde forskare från Helmzholtz-Zentrum Berlin, Washington University och SLAC mätningar med röntgenspektroskopi. Med hjälp av röntgenpulser från frielektronlasern LCLS i Kalifornien kunde protonens förflyttning följas på en ultrasnabb tidskala av femtosekunder (10-15 sekunder):

Vi är bland de första att utföra den här typen av mätningar och vill därför ta oss framåt i små enkla steg.” säger Sebastian Eckert, som är doktorand i professor Alexander Föhlisch grupp vid Potsdam Universitet och Helmholtz-Zentrum Berlin.

Filmen visar hur geometrin förändras under protonöverföringen. (Jesper Norell / SU)
Klicka på bilden så visas en film över hur bindningen till protonen bryts. (Jesper Norell / SU)

Slutsatserna möjliggjordes av teoretiska simuleringar utförda av Jesper Norell, som är doktorand i kemisk fysik vid Stockholms universitet och aktiv vid Helmholtz-Zentrum Berlin genom ett virtuellt institut:

“Simuleringar är i många fall ett helt nödvändigt komplement för att kunna tolka de komplexa resultaten från röntgenmätningar. I det här fallet kunde vi bland annat påvisa att själva röntgenstrålningen också påverkar andra bindningar inom molekylen, men att det inte negativt påverkar möjligheten att observera protonöverföringen.”

Resultaten har publicerats i tidskriften Angewandte Chemie och bedömdes tillhöra tidskriftens viktigaste publikationer (topp 10 %). Redan nu utförs nya studier inom projektet där forskarna bland annat hoppas få reda på mer om mekanismen för protonöverföringen och var protonen tar vägen på längre tidsskalor.

– Jesper Norell (jesper.norell@fysik.su.se), Michael Odelius (odelius@fysik.su.se)

Länk till artikeln i Angewandte Chemie International Edition: “Ultrafast Independent N-H and N-C Bond Deformation Investigated with Resonant Inelastic X-ray Scattering“, Sebastian Eckert, Jesper Norell, Piter S. Miedema, Martin Beye, Mattis Fondell, Wilson Quevedo, Brian Kennedy, Markus Hantschmann, Annette Pietzsch, Benjamin E. Van Kuiken, Matthew Ross, Michael P. Minitti, Stefan P. Moeller, William F. Schlotter, Munira Khalil, Michael Odelius, Alexander Föhlisch.

Länk till forskargruppens hemsida: http://www.fysik.su.se/~odelius/qcmdgroup

Länk till Helholtz-Zentrum Berlin: https://www.helmholtz-berlin.de/

Länk till det virtuella institutet “Dynamic Pathways in Multidimensional Landscapes”: https://www.helmholtz-berlin.de/projects/hvi/dynamic-pathways/index_en.html

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *