Wanneer de moleculen die de genetische code in onze cellen dragen, worden blootgesteld aan schade, ze hebben verdediging tegen mogelijke breuk en mutaties.

Bijvoorbeeld, wanneer DNA wordt geraakt met ultraviolet licht, het kan overtollige energie van straling verliezen door de kern van een waterstofatoom - een enkel proton - uit te werpen om te voorkomen dat andere chemische bindingen in het systeem breken.

Om inzicht te krijgen in dit proces, onderzoekers gebruikten röntgenlaserpulsen van de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy om te onderzoeken hoe energie uit licht een relatief eenvoudig molecuul transformeert, 2-thiopyridon. Dit molecuul ondergaat een chemische transformatie die ook in de bouwstenen van DNA voorkomt. De wetenschappers keken naar dit proces door het stikstofatoom in het molecuul te onderzoeken met röntgenpulsen die slechts femtoseconden duurden, of quadriljoensten van een seconde.

De resultaten, gepubliceerd in Angewandte Chemie , zijn een stap in de richting van een beter begrip van wat 'excited state proton transfers' in DNA en andere moleculen wordt genoemd.

"Direct, we willen het simpel houden, " zegt hoofdauteur Sebastian Eckert, een doctoraalstudent aan de Universiteit van Potsdam en Helmholtz-Zentrum Berlijn. "Het is gemakkelijker om naar de effecten van foto-excitatie in 2-thiopyridon te kijken, omdat dit molecuul klein genoeg is om te begrijpen en slechts één stikstofatoom heeft. We zijn een van de eersten bij LCLS die naar stikstof kijken bij deze energie, dus het is een beetje een pilot-experiment."

Dit is ook de eerste keer dat de methode, bekend als resonante inelastische röntgenverstrooiing of RIXS, is gebruikt om te kijken naar moleculaire veranderingen met stikstof die plaatsvinden in femtoseconden. Deze korte tijdschaal is belangrijk omdat zo snel protonen worden weggeschopt van moleculen die aan licht worden blootgesteld, en het vereist schitterende röntgenstralen om deze ultrasnelle veranderingen te zien.

"LCLS is de enige röntgenlichtbron die voldoende fotonen kan leveren - lichtdeeltjes, " zegt co-auteur Munira Khalil, een professor aan de Universiteit van Washington. "Ons detectiemechanisme is 'fotonen-hongerig' en vereist intense lichtpulsen om het effect vast te leggen dat we willen zien."

In de studie, de onderzoekers gebruikten een optische laser om veranderingen in het molecuul te initiëren, gevolgd door een LCLS-röntgensonde waarmee ze bewegingen in de bindingen konden zien.

"We zoeken naar een resonantie-effect - een signatuur die ons laat weten dat we de röntgenstralen hebben afgestemd op een energie die ervoor zorgt dat we alleen veranderingen onderzoeken die verband houden met of in de buurt van het stikstofatoom, " zegt Mike Minitti, stafwetenschapper bij LCLS en co-auteur van het artikel.

Deze "on-resonantie" -onderzoeken versterken het signaal op een manier dat wetenschappers duidelijk kunnen interpreteren hoe röntgenstralen interageren met het monster.

Het onderzoeksteam keek vooral naar de bindingen tussen atomen naast stikstof, en bevestigde dat optisch licht stikstof-waterstofbindingen verbreekt.

"We konden ook bevestigen dat de röntgenstralen die werden gebruikt om het monster te onderzoeken, de stikstof-waterstofbinding niet verbreken, dus de sonde zelf creëert geen kunstmatig effect. De röntgenenergie wordt in plaats daarvan overgebracht naar een binding tussen stikstof- en koolstofatomen, het verscheuren, " zegt Jesper Norell, een doctoraatsstudent aan de Universiteit van Stockholm en co-auteur van het artikel.

Volgende, de samenwerking zal dezelfde aanpak gebruiken om complexere moleculen te bestuderen en inzicht te krijgen in de brede klasse van fotochemische reacties.