DNA, che immagazzina le informazioni genetiche nella maggior parte degli organismi sulla Terra, non si distrugge facilmente. Assorbe facilmente le radiazioni ultraviolette (UV), ma trova il modo di riprendersi.

Per combattere i danni delle radiazioni, le cellule hanno sviluppato meccanismi di riparazione del DNA, così come i meccanismi per rimuovere l'energia prima che rompa il DNA, come l'autoionizzazione, che è il processo per cui la macromolecola in uno stato eccitato emette spontaneamente uno dei suoi elettroni, liberando un'enorme quantità di energia. Comprendere questo meccanismo è fondamentale per studiare e mitigare gli effetti delle radiazioni sugli organismi viventi.

Un team di ricercatori della Lehigh University (Slava V. Rotkin, Tetyana Ignatova, Michele Lame), l'Università della Florida Centrale (Alexander Balaeff), il National Institute of Standards and Technology (Ming Zheng) e uno studente dell'Università di Rochester che partecipa al programma estivo "Research Experiences for Undergraduates" (REU) sostenuto dalla NSF a Lehigh (Peter Stoeckl) si è proposto di comprendere la stabilità del DNA come portatore di informazioni genetiche contro potenziali danni da radiazioni UV. Hanno riportato i loro risultati in un documento recentemente accettato per la pubblicazione in Nano ricerca .

Rotkin e i suoi colleghi hanno studiato complessi autoassemblati di DNA avvolti attorno a nanotubi di carbonio a parete singola utilizzando una tecnica speciale:la spettroscopia di fotoluminescenza a due colori. L'uso simultaneo della luce UV e verde per sondare il campione ha fornito una prospettiva che nessuno era stato in grado di osservare prima negli esperimenti a colore singolo. Dopo, è stata sviluppata una teoria della meccanica quantistica per supportare i dati sperimentali e sono stati in grado di confermare un tasso di autoionizzazione del DNA molto veloce.

"Essere in grado di stabilire l'efficienza del processo di autoionizzazione è un passo fondamentale per capire come il DNA eccitato dai raggi UV può "raffreddarsi" senza rompersi, mantenendo così le sue normali funzioni biologiche, " disse Rotkin, un professore nel Dipartimento di Fisica e Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Lehigh.

L'approccio innovativo del team ha un grande potenziale per il monitoraggio dell'eccitazione del DNA, autoionizzazione e danno chimico importanti per campi così diversi come la medicina, biologia evolutiva, e l'esplorazione dello spazio. Per scopi biomedici, la capacità di studiare il meccanismo di autoionizzazione potrebbe contribuire alla comprensione dei livelli di sopravvivenza delle radiazioni UV per diversi tipi di cellule e dei modi per mitigare gli effetti dell'irradiazione. Da un punto di vista evolutivo, è importante comprendere i meccanismi di dissipazione che erano cruciali durante l'evoluzione cellulare primordiale quando la radiazione UV era ordini di grandezza più intensa di oggi mentre i meccanismi di riparazione del DNA erano presumibilmente inesistenti. Per una continua esplorazione dello spazio, è importante sviluppare strategie per la sicurezza cellulare e dell'organismo in condizioni di radiazioni difficili.

I ricercatori hanno impiegato tre anni per raccogliere i dati e analizzare gli effetti. "Abbiamo riscontrato un comportamento anomalo dell'emissione di nanotubi:sembrava che qualcosa stesse 'rubando' la luce emessa sotto l'illuminazione UV del secondo colore, " ha detto Rotkin. "Questo campo è ancora estremamente sottoesplorato. Nessuno lo aveva visto prima e per un po' abbiamo dovuto ipotizzare sui dati a due colori, proponendo e rifiutando sperimentalmente vari modelli per trovare la giusta interpretazione."

È stato solo quando hanno ipotizzato che il DNA fosse la fonte del fenomeno osservato - e hanno respinto un modello ampiamente accettato - che i ricercatori sono stati in grado di comprendere appieno l'estinzione ottica dei nanotubi.

Il DNA è molto utile per studiare i nanotubi. Un filamento di DNA avvolto attorno a un singolo nanotubo di carbonio - una struttura cilindrica in carbonio in miniatura che ha un reticolo esagonale di grafite e pareti spesse solo un atomo - manterrà il nanotubo in acqua e gli consentirà di avere praticamente le stesse buone proprietà ottiche dell'originale Materiale.

Inizialmente, i ricercatori sono rimasti sorpresi nell'osservare i cambiamenti nelle proprietà ottiche del nanotubo mentre la luce UV veniva applicata ai campioni.

"Per anni è stato comunemente accettato che il DNA sia un vettore 'inerte' per i nanotubi e che il DNA trattiene il nanotubo nell'acqua senza modificarne le proprietà, " ha aggiunto Rotkin. "Ci sono voluti diversi anni prima che il nostro team si separasse da questa idea comune, perché era così ampiamente accettato. Finalmente, dopo una serie di ulteriori esperimenti, i dati indicavano chiaramente che l'origine della modulazione era il DNA stesso."

Sulla scia di questa scoperta, i ricercatori hanno spostato il focus del loro progetto per vedere come la loro tecnica di spettroscopia di fotoluminescenza a due colori potrebbe essere utilizzata per sondare ulteriormente le proprietà del DNA.

"Ora è chiaro che differenti basi azotate del DNA mostrano differenti proprietà di autoionizzazione, " ha concluso Rotkin. "Prevediamo che questo creerà strumenti biomolecolari non invasivi senza precedenti per risolvere i problemi critici della biofisica degli acidi nucleici".

Lo studio è stato finanziato dalla National Science Foundation (NSF:ECCS) nell'ambito del progetto "Fisica fondamentale e applicazioni di biorilevamento di nanomateriali fluorescenti compositi - terre rare combinate con nanotubi di carbonio racchiusi nel DNA".