Wetenschappers aan de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een techniek ontwikkeld om te observeren hoe straling moleculen beschadigt in een tijdsbestek van slechts een quadriljoenste van een seconde of een femtoseconde.

De techniek omvat het oplossen van organische moleculen in water om de toestand van moleculen in biologisch weefsel te simuleren. Hierdoor kan het onderzoeksteam met grotere precisie en duidelijkheid dan ooit tevoren stralingsschade in biologisch weefsel en moleculen zien optreden.

Nucleaire of ioniserende straling kan organismen beschadigen door DNA en andere biologische moleculen te veranderen, omdat het de chemische bindingen die moleculen bij elkaar houden desintegreert.

Met behulp van hun nieuwe techniek, de wetenschappers keken naar de trillingen die worden gegenereerd door botsingen van ioniserende stralingsdeeltjes met een organisch molecuul, waardoor het uiteindelijk uit elkaar brak na gewelddadig uitrekken, buigen, en draaiende bewegingen. Deze trillingen traden alleen op als de moleculen werden opgelost in water, wat een aanzienlijke vooruitgang betekent ten opzichte van eerdere studies.

Universitair hoofddocent Zhi-Heng Loh, een assistent-voorzitter aan de NTU's School of Physical &Mathematical Sciences die het onderzoek leidde, zei, "Dit is de eerste keer dat iemand ionisatie-geïnduceerde moleculaire dynamica heeft waargenomen in waterige oplossingen op femtoseconde tijdschalen. In eerdere studies, wetenschappers konden de producten van ionisatie pas waarnemen nadat het molecuul al uit elkaar was gehaald."

Hoewel de gevaren van straling al sinds de jaren dertig algemeen worden erkend, toen Marie Curie stierf aan bloedarmoede veroorzaakt door haar langdurige blootstelling aan radioactiviteit, de exacte processen waarmee ioniserende straling moleculen verandert, zijn nog steeds niet volledig begrepen.

De studie gebruikte methoden uit de femtochemie om vast te leggen hoe atomen en moleculen zich gedragen op ultrakorte tijdschalen, zoals bij de vorming of het verbreken van chemische bindingen die enkele biljardsten van een seconde in beslag nemen, of femtoseconden.

Femtochemie maakt gebruik van lasers die extreem korte lichtpulsen uitzenden en elke puls creëert een momentopname van de chemische reactie. Deze kunnen vervolgens aan elkaar worden genaaid zoals de frames van een video, om ultrasnelle chemische processen van begin tot eind te bekijken.

Ontdekken hoe straling moleculen verandert

Universitair hoofddocent Loh en zijn team wilden begrijpen hoe ioniserende straling biologische moleculen beïnvloedt. Als uitgangspunt, ze richtten hun aandacht op het fenoxide-ion, een relatief eenvoudig organisch molecuul dat veel van dezelfde soorten chemische bindingen bevat die worden aangetroffen in de eiwitten waaruit levend weefsel bestaat.

Hoge resolutie spectroscopie was eerder gebruikt om fenoxide in zijn gasvorm te bestuderen, en daaruit hadden onderzoekers een relatief eenvoudig gedrag waargenomen:wanneer ze werden getroffen door ioniserende straling, elk fenoxidemolecuul trilt op een enkele frequentie, als een bel die op een enkele duidelijke toon rinkelt. Echter, deze methode kan niet worden gebruikt om organische moleculen opgelost in water te bestuderen, die vergelijkbaar is met de toestand waarin moleculen worden gevonden in biologisch weefsel.

Met behulp van een gepulseerd laserapparaat, het NTU-team kon vastleggen hoe straling de in water opgeloste fenoxidemoleculen beschadigt. Het team identificeerde meerdere trillingsfrequenties, verschillend van de enkele frequentie waargenomen in gasvormig fenoxide. Ze ontdekten dat wanneer straling ervoor zorgt dat de moleculen een elektron uitstoten, het molecuul trilt in een zeer complex patroon, meer verwant aan het geluid van een cimbaal of gong dan een rinkelende bel.

"In de toekomst, we zullen hierop voortbouwen om te onderzoeken hoe straling grotere en meer gecompliceerde moleculen beïnvloedt, zoals eiwitten en nucleïnezuren, die de bouwstenen van het leven zijn, " zei universitair hoofddocent Loh.

"Onze onderzoeksgroep is gespecialiseerd in femtochemie, en toen we eenmaal geïnteresseerd raakten in het onderwerp, het bleek relatief eenvoudig om onze femtochemische methoden aan te passen aan het bestuderen van de vibratiebeweging van geïoniseerde moleculen opgelost in water. Tot onze verbazing, niemand had dit specifieke probleem ooit eerder aangepakt, " hij voegde toe.