Quando le molecole che portano il codice genetico nelle nostre cellule sono esposte a danni, hanno difese contro potenziali rotture e mutazioni.

Ad esempio, quando il DNA viene colpito dalla luce ultravioletta, può perdere l'energia in eccesso dalle radiazioni espellendo il nucleo di un atomo di idrogeno, un singolo protone, per impedire la rottura di altri legami chimici nel sistema.

Per approfondire questo processo, i ricercatori hanno utilizzato impulsi laser a raggi X dalla Linac Coherent Light Source (LCLS) presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia per studiare come l'energia della luce trasforma una molecola relativamente semplice, 2-tiopiridone. Questa molecola subisce una trasformazione chimica che avviene anche negli elementi costitutivi del DNA. Gli scienziati hanno esaminato questo processo sondando l'atomo di azoto nella molecola con impulsi di raggi X che sono durati solo femtosecondi, o quadrilionesimi di secondo.

I risultati, pubblicato in Angewandte Chemie , sono un passo verso una migliore comprensione dei cosiddetti "trasferimenti di protoni in stato eccitato" nel DNA e in altre molecole.

"Proprio adesso, vogliamo mantenerlo semplice, ", afferma l'autore principale Sebastian Eckert, uno studente di dottorato presso l'Università di Potsdam e Helmholtz-Zentrum Berlin. "È più facile osservare gli effetti della fotoeccitazione nel 2-tiopiridone perché questa molecola è abbastanza piccola da capire e ha un solo atomo di azoto. Siamo tra i primi a LCLS a guardare l'azoto a questa energia, quindi è una specie di esperimento pilota."

Questa è anche la prima volta che il metodo, noto come diffusione anelastica risonante di raggi X o RIXS, è stato utilizzato per esaminare i cambiamenti molecolari che coinvolgono l'azoto che avvengono in femtosecondi. Questo breve lasso di tempo è importante perché è così che i protoni vengono allontanati velocemente dalle molecole esposte alla luce, e sono necessari raggi X brillanti per vedere questi cambiamenti ultraveloci.

"LCLS è l'unica sorgente di luce a raggi X in grado di fornire abbastanza fotoni:particelle di luce, ", afferma la coautrice Munira Khalil, professore all'Università di Washington. "Il nostro meccanismo di rilevamento è 'affamato di fotoni' e richiede intensi impulsi di luce per catturare l'effetto che vogliamo vedere".

Nello studio, i ricercatori hanno utilizzato un laser ottico per avviare cambiamenti nella molecola, seguito da una sonda a raggi X LCLS che ha permesso loro di vedere i movimenti nei legami.

"Cerchiamo un effetto di risonanza, una firma che ci faccia sapere che abbiamo sintonizzato i raggi X su un'energia che ci assicuri che stiamo esaminando solo i cambiamenti relativi o vicini all'atomo di azoto, "dice Mike Minitti, scienziato del personale presso LCLS e coautore del documento.

Questi studi "in risonanza" amplificano il segnale in modo che gli scienziati possano interpretare chiaramente come i raggi X interagiscono con il campione.

Il team di ricerca ha esaminato principalmente i legami tra gli atomi vicini all'azoto, e ha confermato che la luce ottica rompe i legami azoto-idrogeno.

"Siamo stati anche in grado di confermare che i raggi X utilizzati per sondare il campione non rompono il legame azoto-idrogeno, quindi la sonda stessa non crea un effetto artificiale. L'energia dei raggi X viene invece trasferita ad un legame tra atomi di azoto e carbonio, rompendolo, "dice Jesper Norell, uno studente di dottorato presso l'Università di Stoccolma e coautore del documento.

Prossimo, la collaborazione utilizzerà lo stesso approccio per studiare molecole più complesse e ottenere informazioni sull'ampia classe di reazioni fotochimiche.