In experimenten bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, wetenschappers konden de eerste stap zien van een proces dat een DNA-bouwsteen, thymine genaamd, beschermt tegen schade door de zon:wanneer het wordt geraakt met ultraviolet licht, een enkel elektron springt in een iets hogere baan rond de kern van een enkel zuurstofatoom.

Deze oneindig kleine sprong zet een reactie in gang die een van de chemische bindingen van thymine uitrekt en weer op zijn plaats klikt, trillingen creëren die de energie van binnenkomend ultraviolet licht onschadelijk verdrijven, zodat het geen mutaties veroorzaakt.

De techniek die wordt gebruikt om deze kleine switch-flip bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenvrije-elektronenlaser te observeren, kan worden toegepast op bijna elk organisch molecuul dat op licht reageert - of dat licht nu een goede zaak is, zoals in fotosynthese of menselijke visie, of een slechte zaak, zoals bij huidkanker, zeiden de wetenschappers. Ze beschreven het onderzoek in Natuurcommunicatie vandaag.

"Al deze lichtgevoelige organische moleculen hebben de neiging om licht in het ultraviolet te absorberen. Dat is niet alleen waarom je zonnebrand krijgt, maar het is ook waarom je plastic brillenglazen enige UV-bescherming bieden, " zei Phil Bucksbaum, een professor aan SLAC en Stanford University en directeur van het Stanford PULSE Institute bij SLAC. "Je kunt deze effecten zelfs zien in plastic tuinmeubels - na een paar seizoenen kan het broos worden en verkleuren, simpelweg omdat het plastic de hele tijd ultraviolet licht absorbeert, en de manier waarop het de zon absorbeert, leidt tot schade aan de chemische bindingen."

Elektronen in actie vangen

Thymine en de andere drie DNA-bouwstenen absorberen ook sterk ultraviolet licht, die mutaties en huidkanker kunnen veroorzaken, toch lijken deze moleculen rond te komen met minimale schade. In 2014, een team onder leiding van Markus Guehr - toen een senior stafwetenschapper van SLAC en nu verbonden aan de faculteit van de Universiteit van Potsdam in Duitsland - meldde dat ze het antwoord hadden gevonden:de rekknip van een enkele binding en de resulterende energie-dissiperende trillingen, die plaatsvond binnen 200 femtoseconden, of miljoenste van een miljardste van een seconde na blootstelling aan UV-licht.

Maar wat zorgde ervoor dat de band uitrekte? Het team wist dat het antwoord elektronen moest omvatten, die verantwoordelijk zijn voor de vorming, bindingen tussen atomen veranderen en verbreken. Dus bedachten ze een ingenieuze manier om de specifieke elektronenbewegingen op te vangen die de beschermende reactie veroorzaken.

Het was gebaseerd op het feit dat elektronen niet in nette concentrische cirkels om de atoomkern draaien, als planeten die om een ​​zon draaien, maar eerder in vage wolken die een andere vorm aannemen, afhankelijk van hoe ver ze van de kern verwijderd zijn. Sommige van deze orbitalen zijn in feite als een vage bol; anderen lijken een beetje op halters of het begin van een ballondier. Voorbeelden zie je hier.

Sterk signaal kan al lang bestaand debat oplossen

Voor dit nieuwe experiment de wetenschappers raakten thyminemoleculen met een puls van UV-laserlicht en stemden de energie van de LCLS-röntgenlaserpulsen af, zodat ze zouden reageren op de reactie van het zuurstofatoom dat zich aan het ene uiteinde van het uitrekken bevindt, snappende band.

De energie van het UV-licht prikkelde een van de elektronen van het atoom om in een hogere baan te springen. Dit liet het atoom in een soort van tippy staat waar net iets meer energie een tweede elektron in een hogere orbitaal zou stimuleren; en die tweede sprong veroorzaakt de beschermende reactie, de vorm van het molecuul net genoeg veranderen om de binding te rekken.

De eerste sprong, waarvan eerder bekend was dat het gebeurde, is moeilijk te detecteren omdat het elektron in een nogal diffuse orbitale wolk terechtkomt, zei Guehr. Maar de tweede, die nog nooit eerder was waargenomen, was veel gemakkelijker te herkennen omdat dat elektron in een orbitaal terechtkwam met een kenmerkende vorm die een groot signaal afgaf.

"Hoewel dit een heel kleine elektronenbeweging was, het signaal sprong eruit in het experiment, "Zei Guehr. "Ik heb altijd het gevoel gehad dat dit een sterke overgang zou zijn, gewoon intuïtief, maar toen we dit zagen binnenkomen was het een speciaal moment, een van de beste momenten die een experimentator kan hebben."

Een langdurig debat beslechten

Studie hoofdauteur Thomas Wolf, een associate stafwetenschapper bij SLAC, zei dat de resultaten een langlopend debat zouden moeten beslechten over hoe lang na blootstelling aan UV de beschermende reactie begint:het gebeurt 60 femtoseconden nadat UV-licht invalt. Deze tijdspanne is belangrijk, hij zei, want hoe langer het atoom in de tippy staat blijft tussen de eerste sprong en de tweede, hoe groter de kans dat het een soort reactie ondergaat die het molecuul zou kunnen beschadigen.

Henrik Koch, een theoreticus bij NTNU in Noorwegen die destijds gastprofessor was aan Stanford, leidde de studie met Guehr. Hij leidde de poging om te modelleren, begrijpen en interpreteren wat er in het experiment is gebeurd, en hij nam er in ongewone mate aan deel, zei Guehr.

"Hij is zeer ervaren in het toepassen van theorie op methodologieontwikkeling, en hij had deze nieuwsgierigheid om dit naar ons experiment te brengen, "Zei Guehr. "Hij was zo gefascineerd door dit onderzoek dat hij iets deed dat totaal ongebruikelijk was voor een theoreticus - hij kwam naar LCLS, naar de controlekamer, en hij wilde de data binnen zien komen. Dat vond ik helemaal geweldig en heel motiverend. Het bleek dat sommige van mijn eerdere gedachten helemaal juist waren, maar andere aspecten waren helemaal verkeerd, en Henrik deed de juiste theorie op het juiste niveau, zodat we ervan konden leren."