Et lille elektronens lille spring udløser molekylær solcreme -respons

I eksperimenter på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, forskere var i stand til at se det første trin i en proces, der beskytter en DNA -byggesten kaldet thymin mod solskader:Når det rammes med ultraviolet lys, en enkelt elektron hopper ind i en lidt højere bane omkring kernen i et enkelt oxygenatom.

Dette uendelige spring springer et svar i gang, der strækker en af ​​thymins kemiske bindinger og klikker den på plads igen, skaber vibrationer, der harmløst spreder energien fra indkommende ultraviolet lys, så det ikke forårsager mutationer.

Teknikken, der bruges til at observere denne lille switch-flip ved SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenfri-elektronlaser, kan anvendes på næsten ethvert organisk molekyle, der reagerer på lys-om det lys er en god ting, som ved fotosyntese eller menneskesyn, eller en dårlig ting, som ved hudkræft, sagde forskerne. De beskrev undersøgelsen i Naturkommunikation i dag.

"Alle disse lysfølsomme organiske molekyler har en tendens til at absorbere lys i det ultraviolette. Det er ikke kun derfor, du får solskoldning, men det er også derfor, at dine plastikglaslinser tilbyder en vis UV -beskyttelse, "sagde Phil Bucksbaum, en professor ved SLAC og Stanford University og direktør for Stanford PULSE Institute ved SLAC. "Du kan endda se disse effekter i plastikplænemøbler - efter et par sæsoner kan det blive skørt og misfarvet, blot fordi plastikken absorberede ultraviolet lys hele tiden, og den måde, den absorberer sol på, resulterer i skader på dens kemiske bindinger. "

At fange elektroner i aktion

Thymin og de andre tre DNA -byggesten blokerer også stærkt ultraviolet lys, som kan udløse mutationer og hudkræft, alligevel ser disse molekyler ud til at klare sig med minimal skade. I 2014, et team ledet af Markus Guehr-dengang en SLAC-seniorforsker og nu på fakultetet ved universitetet i Potsdam i Tyskland-rapporterede, at de havde fundet svaret:Stræk-snap af en enkelt binding og resulterende energispildende vibrationer, som fandt sted inden for 200 femtosekunder, eller milliontedele af en milliarddel af et sekund efter UV -lyseksponering.

Men hvad fik bindingen til at strække? Holdet vidste, at svaret skulle involvere elektroner, som er ansvarlige for dannelsen, ændre og bryde bindinger mellem atomer. Så de udtænkte en genial måde at fange de specifikke elektronbevægelser, der udløser den beskyttende reaktion.

Den stolede på det faktum, at elektroner ikke kredser om et atoms kerne i pæne koncentriske cirkler, som planeter, der kredser om en sol, men snarere i fuzzy skyer, der tager en anden form afhængigt af hvor langt de er fra kernen. Nogle af disse orbitaler er faktisk som en uklar kugle; andre ligner lidt vægtstænger eller starten på et ballondyr. Du kan se eksempler her.

Stærkt signal kunne løse langvarig debat

Til dette nye eksperiment, forskerne ramte thyminmolekyler med en puls af UV-laserlys og afstemte energien fra LCLS røntgenlaserpulser, så de ville komme ind på reaktionen fra iltatomet, der er i den ene ende af strækningen, snapper bånd.

Energien fra UV-lyset ophidsede en af ​​atomets elektroner til at hoppe ind i en højere orbital. Dette efterlod atomet i en slags tippy tilstand, hvor bare lidt mere energi ville booste en anden elektron til en højere orbital; og det andet spring er det, der udløser det beskyttende svar, ændre formen af ​​molekylet lige nok til at strække bindingen.

Det første spring, som tidligere var kendt for at ske, er svært at opdage, fordi elektronen vinder op i en ret diffus orbital sky, Sagde Guehr. Men det andet, som aldrig var blevet observeret før, var meget lettere at få øje på, fordi den elektron endte i en orbital med en karakteristisk form, der afgav et stort signal.

"Selvom dette var en meget lille elektronbevægelse, signalet sprang lidt ud mod os i forsøget, "Sagde Guehr." Jeg havde altid en fornemmelse af, at dette ville være en stærk overgang, blot intuitivt, men da vi så dette komme ind, var det et særligt øjeblik, et af de bedste øjeblikke en eksperimentelist kan have. "

Afvikling af en langvarig debat

Studielederforfatter Thomas Wolf, en associeret stabsforsker ved SLAC, sagde, at resultaterne burde afklare en mangeårig debat om, hvor længe efter UV -eksponering det beskyttende svar starter:Det sker 60 femtosekunder efter, at UV -lys rammer. Denne tidsperiode er vigtig, han sagde, fordi jo længere atomet tilbringer i tippy -tilstanden mellem det første hop og det andet, jo mere sandsynligt er det at gennemgå en form for reaktion, der kan beskadige molekylet.

Henrik Koch, en teoretiker ved NTNU i Norge, der dengang var gæsteprofessor ved Stanford, ledet undersøgelsen med Guehr. Han ledte bestræbelserne på at modellere, forstå og fortolke, hvad der skete i forsøget, og han deltog i det i usædvanligt omfang, sagde Guehr.

"Han er yderst erfaren i at anvende teori til metodeudvikling, og han havde denne nysgerrighed efter at bringe dette til vores eksperiment, "Guehr sagde." Han var så fascineret af denne forskning, at han gjorde noget helt utypisk for en teoretiker - han kom til LCLS, ind i kontrolrummet, og han ville se dataene komme ind. Jeg fandt det helt fantastisk og meget motiverende. Det viste sig, at nogle af mine tidligere tanker var helt rigtige, men andre aspekter var helt forkerte, og Henrik lavede den rigtige teori på det rigtige niveau, så vi kunne lære af det. "