La timina – la molecola illustrata in primo piano – è uno dei quattro mattoni fondamentali che compongono la doppia elica del DNA. È un così forte assorbitore di luce ultravioletta che i raggi UV alla luce del sole dovrebbero disattivarlo, eppure questo non accade. I ricercatori hanno utilizzato un laser a raggi X presso lo SLAC National Accelerator Laboratory per osservare il salto infinitesimale di un singolo elettrone che innesca una risposta protettiva nelle molecole di timina, permettendo loro di scrollarsi di dosso i danni UV. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
In esperimenti presso il Laboratorio Nazionale Acceleratore SLAC del Dipartimento di Energia, gli scienziati sono stati in grado di vedere il primo passo di un processo che protegge un blocco costitutivo del DNA chiamato timina dai danni del sole:quando viene colpito dalla luce ultravioletta, un singolo elettrone salta in un'orbita leggermente più alta attorno al nucleo di un singolo atomo di ossigeno.
Questo salto infinitesimale innesca una risposta che allunga uno dei legami chimici della timina e lo riporta al suo posto, creando vibrazioni che dissipano innocuamente l'energia della luce ultravioletta in arrivo in modo che non causi mutazioni.
La tecnica utilizzata per osservare questo minuscolo interruttore al laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC può essere applicata a quasi tutte le molecole organiche che rispondono alla luce - se quella luce è una buona cosa, come nella fotosintesi o nella visione umana, o una cosa brutta, come nel cancro della pelle, hanno detto gli scienziati. Hanno descritto lo studio in Comunicazioni sulla natura oggi.
"Tutte queste molecole organiche sensibili alla luce tendono ad assorbire la luce nell'ultravioletto. Non è solo per questo che ci si scotta, ma è anche il motivo per cui le lenti per occhiali in plastica offrono una protezione dai raggi UV, " ha detto Phil Bucksbaum, professore allo SLAC e alla Stanford University e direttore dello Stanford PULSE Institute allo SLAC. "Puoi persino vedere questi effetti nei mobili da giardino in plastica:dopo un paio di stagioni possono diventare fragili e scolorirsi semplicemente a causa del fatto che la plastica assorbe continuamente la luce ultravioletta, e il modo in cui assorbe il sole danneggia i suoi legami chimici."
Catturare gli elettroni in azione
Anche la timina e gli altri tre elementi costitutivi del DNA assorbono fortemente la luce ultravioletta, che possono scatenare mutazioni e cancro della pelle, eppure queste molecole sembrano cavarsela con danni minimi. Nel 2014, un team guidato da Markus Guehr - allora uno scienziato senior dello SLAC e ora alla facoltà dell'Università di Potsdam in Germania - ha riferito di aver trovato la risposta:lo scatto di allungamento di un singolo legame e le conseguenti vibrazioni che dissipano l'energia, che ha avuto luogo entro 200 femtosecondi, o milionesimi di miliardesimo di secondo dopo l'esposizione ai raggi UV.
Ma cosa ha fatto allungare il legame? Il team sapeva che la risposta doveva coinvolgere gli elettroni, che sono responsabili della formazione, cambiare e rompere i legami tra gli atomi. Così hanno escogitato un modo ingegnoso per catturare i movimenti specifici degli elettroni che attivano la risposta protettiva.
Si basava sul fatto che gli elettroni non orbitano attorno al nucleo di un atomo in precisi cerchi concentrici, come pianeti in orbita attorno a un sole, ma piuttosto in nuvole sfocate che assumono una forma diversa a seconda di quanto distano dal nucleo. Alcuni di questi orbitali sono infatti come una sfera sfocata; altri assomigliano un po' ai bilancieri o all'inizio di un animale a palloncino. Puoi vedere esempi qui.
Un segnale forte potrebbe risolvere un dibattito di lunga data
Per questo nuovo esperimento, gli scienziati hanno colpito le molecole di timina con un impulso di luce laser UV e hanno sintonizzato l'energia degli impulsi laser a raggi X LCLS in modo che si concentrassero sulla risposta dell'atomo di ossigeno che si trova a un'estremità dell'allungamento, legame che si spezza.
L'energia della luce UV ha eccitato uno degli elettroni dell'atomo per saltare in un orbitale più alto. Questo lasciava l'atomo in una sorta di stato di brivido in cui solo un po' più di energia avrebbe portato un secondo elettrone in un orbitale più alto; e quel secondo salto è ciò che fa scattare la risposta protettiva, cambiando la forma della molecola quanto basta per allungare il legame.
Il primo salto, che in precedenza era noto per accadere, è difficile da rilevare perché l'elettrone si avvolge in una nuvola orbitale piuttosto diffusa, ha detto Guehr. Ma il secondo, che non era mai stato osservato prima, era molto più facile da individuare perché quell'elettrone finiva in un orbitale con una forma particolare che emetteva un grande segnale.
"Anche se questo era un movimento di elettroni molto piccolo, il segnale ci è saltato addosso durante l'esperimento, "Guehr ha detto. "Ho sempre avuto la sensazione che questa sarebbe stata una forte transizione, solo intuitivamente, ma quando l'abbiamo visto entrare è stato un momento speciale, uno dei migliori momenti che uno sperimentatore possa avere."
Risolvere un dibattito di lunga data
L'autore principale dello studio Thomas Wolf, uno scienziato dello staff associato presso SLAC, ha affermato che i risultati dovrebbero risolvere un dibattito di lunga data su quanto tempo dopo l'esposizione ai raggi UV si attiva la risposta protettiva:accade 60 femtosecondi dopo i colpi di luce UV. Questo lasso di tempo è importante, Egli ha detto, perché più a lungo l'atomo trascorre nello stato tippy tra il primo salto e il secondo, più è probabile che subisca una sorta di reazione che potrebbe danneggiare la molecola.
Henrik Koch, un teorico della NTNU in Norvegia che all'epoca era professore ospite a Stanford, ha condotto lo studio con Guehr. Ha guidato lo sforzo di modellare, comprendere e interpretare ciò che è accaduto nell'esperimento, e vi ha partecipato in misura insolita, ha detto Guehr.
"È estremamente esperto nell'applicazione della teoria allo sviluppo della metodologia, e aveva questa curiosità di portare questo al nostro esperimento, " Ha detto Guehr. "Era così affascinato da questa ricerca che ha fatto qualcosa di completamente atipico di un teorico - è venuto a LCLS, nella sala di controllo, e voleva vedere i dati in arrivo. L'ho trovato assolutamente sorprendente e molto motivante. Si è scoperto che alcuni dei miei pensieri precedenti erano completamente giusti ma altri aspetti erano completamente sbagliati, e Henrik ha fatto la teoria giusta al livello giusto in modo che potessimo imparare da essa."
