DNA, die genetische informatie opslaat in de meeste organismen op aarde, wordt niet gemakkelijk vernietigd. Het absorbeert gemakkelijk ultraviolette (UV) straling, maar vindt manieren om te herstellen.

Om de schade van straling tegen te gaan, cellen hebben DNA-herstelmechanismen ontwikkeld, evenals mechanismen om de energie te verwijderen voordat het het DNA breekt, zoals autoionisatie, dat is het proces waarbij het macromolecuul in een aangeslagen toestand spontaan een van zijn elektronen uitzendt, het vrijgeven van een enorme hoeveelheid energie. Het begrijpen van dit mechanisme is van cruciaal belang voor het onderzoeken en verminderen van de effecten van straling op levende organismen.

Een team van onderzoekers van de Lehigh University (Slava V. Rotkin, Tetjana Ignatova, Michael Blades), de Universiteit van Centraal Florida (Alexander Balaeff), het National Institute of Standards and Technology (Ming Zheng) en een student van de University of Rochester die deelnamen aan het door NSF ondersteunde zomerprogramma "Research Experiences for Undergraduates" (REU) in Lehigh (Peter Stoeckl) wilden de stabiliteit van DNA begrijpen als drager van genetische informatie tegen mogelijke schade door UV-straling. Ze hebben hun bevindingen gerapporteerd in een paper dat onlangs is geaccepteerd voor publicatie in Nano-onderzoek .

Rotkin en zijn collega's bestudeerden zelf-geassembleerde complexen van DNA gewikkeld rond enkelwandige koolstofnanobuizen met behulp van een speciale techniek:tweekleurige fotoluminescentiespectroscopie. Het gelijktijdig gebruiken van UV- en groen licht om het monster te onderzoeken, leverde een perspectief op dat niemand eerder had kunnen waarnemen in experimenten met één kleur. Later, een kwantummechanische theorie werd ontwikkeld om de experimentele gegevens te ondersteunen en ze waren in staat om een ​​zeer snelle DNA-auto-ionisatiesnelheid te bevestigen.

"In staat zijn om de efficiëntie van het auto-ionisatieproces vast te stellen, is een belangrijke stap om te begrijpen hoe UV-geëxciteerd DNA kan 'afkoelen' zonder te breken, waardoor zijn normale biologische functies behouden blijven, " zei Rotkin, een professor in Lehigh's Department of Physics en Department of Materials Science &Engineering.

De innovatieve aanpak van het team heeft een groot potentieel voor het monitoren van DNA-excitatie, auto-ionisatie en chemische schade belangrijk voor uiteenlopende gebieden als geneeskunde, evolutionaire biologie, en ruimteonderzoek. Voor biomedische doeleinden, het vermogen om het auto-ionisatiemechanisme te bestuderen zou kunnen bijdragen aan een beter begrip van de overleefbare niveaus van UV-straling voor verschillende celtypes en manieren om de effecten van bestraling te verminderen. Vanuit een evolutionair perspectief, het is belangrijk om de dissipatiemechanismen te begrijpen die cruciaal waren tijdens de evolutie van de oercellen toen UV-straling orden van grootte intenser was dan tegenwoordig, terwijl de DNA-herstelmechanismen vermoedelijk niet bestonden. Voor voortdurende verkenning van de ruimte, het is belangrijk om strategieën te ontwikkelen voor cellulaire en organismale veiligheid in zware stralingsomstandigheden.

Het kostte de onderzoekers drie jaar om de gegevens te verzamelen en de effecten te analyseren. "We vonden abnormaal gedrag van de emissie van nanobuisjes:het leek alsof iets het uitgestraalde licht 'stelde' onder de tweede-kleur UV-verlichting, "zei Rotkin. "Dit veld is nog steeds extreem onderontwikkeld. Niemand had dit eerder gezien en we moesten een tijdje veronderstellingen maken over de tweekleurengegevens, het naar voren brengen en experimenteel verwerpen van verschillende modellen om de juiste interpretatie te vinden."

Pas toen ze aannamen dat het DNA de bron was van het waargenomen fenomeen - en een algemeen geaccepteerd model verwierpen - waren de onderzoekers in staat om het optische doven van nanobuisjes volledig te begrijpen.

DNA is erg handig voor het bestuderen van nanobuisjes. Een DNA-streng gewikkeld rond een enkele koolstofnanobuis - een miniatuur cilindrische koolstofstructuur met een hexagonaal grafietrooster en wanden die slechts één atoom dik zijn - houdt de nanobuis in water en zorgt ervoor dat het praktisch dezelfde goede optische eigenschappen heeft als ongerept materiaal.

aanvankelijk, de onderzoekers waren verrast om veranderingen in de optische eigenschappen van de nanobuis waar te nemen toen het UV-licht op de monsters werd toegepast.

"Jarenlang is algemeen aanvaard dat DNA een 'inerte' drager is voor nanobuisjes en dat DNA het nanobuisje in water vasthoudt zonder de eigenschappen ervan te veranderen. "voegde Rotkin eraan toe. "Het duurde een aantal jaren voordat ons team afstand nam van dit algemeen aanvaarde idee, omdat het zo algemeen aanvaard werd. Eindelijk, na een reeks aanvullende experimenten, de gegevens gaven duidelijk aan dat de oorsprong van de modulatie het DNA zelf was."

Op de hielen van deze ontdekking, de onderzoekers hebben de focus van hun project verlegd om te zien hoe hun tweekleurenfotoluminescentiespectroscopietechniek kan worden gebruikt om de eigenschappen van DNA verder te onderzoeken.

"Het is nu duidelijk dat verschillende DNA-nucleobasen verschillende auto-ionisatie-eigenschappen vertonen, " concludeerde Rotkin. "We verwachten dat dit ongekende niet-invasieve biomoleculaire hulpmiddelen zal creëren voor het oplossen van kritieke problemen van biofysica van nucleïnezuren."

De studie werd gefinancierd door de National Science Foundation (NSF:ECCS) binnen het project genaamd "Fundamentele fysica en biosensing-toepassingen van samengestelde fluorescerende nanomaterialen - zeldzame aardmetalen gecombineerd met DNA-omsloten koolstofnanobuizen."