Учёные из разных стран представили визуализацию сверхбыстрых изменений молекул под воздействием ультрафиолетового излучения

Под воздействием ультрафиолетового излучения многие биологически значимые молекулы изменяют свою структуру. Это явление также наблюдается в некоторых фармацевтических препаратах, однако его природа оставалась недостаточно исследованной.

Исследователи из Университета Гёте во Франкфурте в сотрудничестве с European XFEL в Шенефельде и Немецким синхротронным центром DESY в Гамбурге использовали революционную методику, позволившую не только глубже понять детали этого сверхбыстрого процесса, но и «замедлить» его с помощью рентгеновского излучения. Полученные результаты открывают новые возможности в анализе сложных молекул для биохимии и медицины.

«Мы исследовали молекулу 2-тиоурацила, которая относится к группе фармацевтически активных соединений, основанных на нуклеиновых основаниях — “строительных блоках” ДНК», — объяснил Маркус Гюр, ведущий автор исследования, глава группы на установке FLASH в DESY и профессор химии в Гамбургском университете. По его словам, основной особенностью 2-тиоурацила и его производных является наличие атома серы, который наделяет соединения уникальными медицинскими свойствами. «Еще одна важная характеристика заключается в способности молекул становиться опасно реакционноспособными при воздействии ультрафиолета, что может повысить риск возникновения рака кожи», — добавил Гюр.

Для углубленного изучения процесса коллектив модифицировал метод кулоновского взрыва, объединив его с потенциалом мощнейшего рентгеновского лазера European XFEL. «Суть метода заключается в облучении молекул интенсивными рентгеновскими импульсами, выбивающими электроны», — пояснил Тилль Янке, профессор экспериментальной атомной и молекулярной физики Университета Гёте и первый автор исследования. — «Молекула получает положительный заряд, теряет устойчивость и распадается на атомы в течение доли секунды. Путём изучения траекторий разлёта фрагментов мы можем реконструировать её первоначальную структуру».

До сей поры метод кулоновского взрыва использовался лишь для простых молекул. Но установка, созданная в Университете Гёте, вкупе с инструментом SQS (Small Quantum Systems) в European XFEL, впервые разрешила применять метод для биомедицински значимых соединений.

Этот эксперимент стал техническим прорывом, расширив возможности SQS, что теперь позволяет изучать не только базовые физические процессы, но и реальные молекулы, оказывающие влияние на здоровье человека

отметил Майкл Майер, руководитель инструментального комплекса SQS.

Учёные направили 2-тиоурациловые молекулы в рентгеновский луч через газовую форсунку, обеспечив тем самым изолированное облучение отдельных молекул. Первичный ультрафиолетовый импульс инициировал структурные изменения, а варьирование задержки между импульсами способствовало созданию «замедленной съёмки» процессов длительностью от 100 до 1000 фемтосекунд (то есть менее миллионной доли миллионной доли секунды). Детальная регистрация положений атомов на детекторе выявила два ключевых результата.

Во-первых, ультрафиолетовое облучение вызывает деформацию плоской молекулы 2-тиоурацила, выталкивая атом серы. Это состояние сохраняется достаточно долго, делая молекулу высокореактивной и потенциально канцерогенной. «Обычные нуклеиновые основания, лишённые серы, преобразуют энергию ультрафиолета в тепло путём возбуждённых состояний», — пояснил Гюр. — «Но в 2-тиоурациле сера блокирует этот механизм, что объясняет его агрессивную реакционность».

Во-вторых, эксперимент установил, что для реконструкции структурных изменений достаточно отслеживать лишь часть атомов. «Нам не пришлось отслеживать все шесть атомов углерода, данные по сере, кислороду и четырём ядрам водорода были вполне достаточными», — подчеркнул Янке. Это упростит анализ более сложных молекул в перспективе.

Новый подход демонстрирует огромный потенциал для исследований в сферах фотохимии, фармакологии и молекулярной биологии, предлагая инструмент для изучения ультрабыстрых процессов на атомном уровне.

Источник: iXBT