Wie Licht eine aktive Substanz biegt

Viele biologisch wichtige Moleküle verändern die Form, wenn sie durch UV -Strahlung stimuliert werden. Obwohl diese Eigenschaft auch in einigen Medikamenten zu finden ist, ist es noch nicht gut verstanden. Mit einer innovativen Technik hat ein internationales Team, an dem Forscher der Goethe University Frankfurt, das europäische Xfel in Schenfeld und die Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy in Hamburg in Hamburg in diesem ultra-schnellen Prozess eingeholt werden, mit der Hilfe von X-Ray-Licht aus. Die Methode eröffnet aufregende neue Wege, um viele andere Moleküle zu analysieren.

Die Studie ist veröffentlicht in der Zeitschrift Naturkommunikation.

„Wir haben das Molekül 2-Thiouracil untersucht, das zu einer Gruppe von pharmazeutisch aktiven Substanzen gehört, die auf bestimmten DNA-Bausteinen, den Nucleobasen, basierend“ 2-Thiouracil und seine chemisch verwandten aktiven Substanzen haben ein Schwefelatom, das den Molekülen seine ungewöhnlichen, medizinisch relevanten Eigenschaften verleiht.

„Ein weiteres besonderes Merkmal ist, dass diese Moleküle bei UV -Strahlung gefährlich reaktiv werden.“ Studien deuten aufgrund dieses Effekts ein erhöhtes Risiko für Hautkrebs an.

Um besser zu verstehen, was bei solchen Prozessen passiert, verwendete das Forschungsteam eine bereits etablierte Methode, die sie auf ein neues Niveau brachte, indem die heute verfügbaren technischen Möglichkeiten angewendet wurden.

„Die Coulomb-Explosionsbildgebung beinhaltet die Bestrahlung eines Moleküls mit intensiven Röntgenimpulsen, das Elektronen ausschlägt“, erklärt Jahnke, Professor für experimentelle atomare und molekulare Physik an der Goethe University und der Erstautor der Studie. „Dadurch lädt das Molekül positiv auf und wird somit instabil, so dass es innerhalb einer Sekunde in Fraktionen auseinander gerissen wird.“

Durch Verfolgung der Richtung, in der die verschiedenen Fragmente des Moleküls – die Atome – auseinander sind, können Informationen über die Struktur des Moleküls abgeleitet werden.

Bisher hatte die Coulomb -Explosionsbildgebung nur nützliche Ergebnisse für sehr einfache Moleküle geführt. Mit einem experimentellen Setup, der an der Goethe University speziell entwickelt wurde, kombinierte das Forschungsteam diese Technik nun mit dem weltweit leistungsstärksten Röntgenlaser European XFEL unter Verwendung des SQS („Small Quantum Systems“) Scientific Instrument of EuxFel.

„This experiment is a technical innovation in many ways and it constitutes an important expansion of the experimental possibilities available at the SQS instrument. For the first time ever, it is now possible to use these imaging techniques on a biologically and medically relevant molecule, and not just for fundamental physics research,“ says Michael Meyer, head of the SQS instrument, about the successful experiment.

Europäische XFELs enorm starke Röntgenimpulse ermöglichten es, dieses Molekül zu fragmentieren und dadurch eine Analyse seiner Struktur durchzuführen. Die Forscher schickten die Moleküle unter Verwendung einer feinen Gasdüse in den Röntgenlaserstrahl, was bedeutet, dass jeweils nur einzelne isolierte Moleküle bestrahlt werden. Ein zusätzlicher UV-Impuls, der kurz vor dem Röntgenimpuls bestrahlt wurde, wurde verwendet, um die Moleküle zu erregen.

„Durch die Variation des Zeitintervalls zwischen den beiden Impulsen wird es möglich, so etwas wie einen Zeitlupenfilm dieser Prozesse zu erhalten, der mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit innerhalb von 100–1000 Femtosekunden stattfindet, die weniger als eine Millionste Millionstel einer Sekunde ist“, erklärt Jahnke. Am Ende des Prozesses registrierte ein ausgefeilter Detektor die Auswirkungen und Zeiten der verschiedenen Atome von 2-Thiouracil.

Das Experiment enthüllte zwei wichtige Befunde, von denen das erste betrifft. Dieser Zustand ist relativ lange stabil; Es stellt sicher, dass das Molekül sehr reaktiv wird und beispielsweise Hautkrebs verursachen kann.

„Dies ist auch ein signifikanter Unterschied zu normalen Nucleobasen, die strukturell sehr ähnlich sind, aber kein Schwefelatom haben“, sagt GÜHR. „Stattdessen haben sie einen Mechanismus für den Umgang mit UV -Strahlung und letztendlich in harmlose Wärme durch verschiedene Anregung und Schwingungszustände umwandeln.“ Im Fall von 2-Thiouracil verhindert das Schwefelatom eine solche Umwandlung.

„Der zweite Befund hängt mit der experimentellen Technik selbst zusammen“, sagt Jahnke. „Wie wir gesehen haben, müssen wir nicht alle Atome vom Detektor aufspüren, um das Molekül und seine strukturellen Veränderungen zu rekonstruieren. In diesem Fall brauchten wir nur die Schwefel- und Sauerstoffatome sowie die vier Wasserstoffkerne, und wir konnten die sechs Kohlenstoffatome ignorieren.“

Dieser Befund wird die Messungen in zukünftigen Untersuchungen zu noch komplexeren Molekülen erheblich vereinfachen und die enormen Möglichkeiten dieser innovativen Methode deutlich veranschaulichen.