Forskere udvikler teknik til at observere strålingsskader over en kvadrilliontedel af et sekund

Forskere ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet en teknik til at observere, hvordan stråling beskadiger molekyler over tidsrammer på kun en kvadrilliontedel af et sekund - eller et femtosekund.

Teknikken går ud på at opløse organiske molekyler i vand for at simulere den tilstand, molekyler findes i biologisk væv. Dette giver forskergruppen mulighed for at se strålingsskader forekomme i biologisk væv og molekyler med større præcision og klarhed end nogensinde før.

Nuklear eller ioniserende stråling kan beskadige organismer ved at ændre DNA og andre biologiske molekyler, da den nedbryder de kemiske bindinger, der holder molekyler sammen.

Ved at bruge deres nye teknik, forskerne så vibrationerne genereret af kollisioner af ioniserende strålingspartikler med et organisk molekyle, som til sidst fik den til at gå i stykker efter at have gennemgået voldsom udstrækning, bøjning, og vridende bevægelser. Disse vibrationer opstod kun, når molekylerne blev opløst i vand, hvilket er et markant fremskridt i forhold til tidligere undersøgelser.

Lektor Zhi-Heng Loh, en assisterende formand ved NTU's School of Physical &Mathematical Sciences, der ledede forskningen, sagde, "Dette er første gang nogen har observeret ioniseringsinduceret molekylær dynamik i vandige opløsninger på femtosekund tidsskalaer. I tidligere undersøgelser, forskere var kun i stand til at observere ioniseringsprodukterne, efter at molekylet allerede var brudt fra hinanden. "

Selvom farerne ved stråling er blevet bredt anerkendt siden 1930'erne, da Marie Curie døde af anæmi forårsaget af hendes langvarige eksponering for radioaktivitet, de nøjagtige processer, hvorved ioniserende stråling ændrer molekyler, er stadig ikke helt forstået.

Undersøgelsen brugte metoder fra femtokemi til at fange, hvordan atomer og molekyler opfører sig på ultrakorte tidsskalaer, som i dannelsen eller brydningen af ​​kemiske bindinger, der tager nogle få kvadrilliontedele af et sekund, eller femtosekunder.

Femtokemi bruger lasere, der udsender ekstremt korte lysimpulser, og hver puls skaber et øjebliksbillede af den kemiske reaktion. Disse kan derefter sys sammen som rammerne i en video, at se ultrahurtige kemiske processer fra start til slut.

Afdekke hvordan stråling ændrer molekyler

Lektor Loh og hans team satte sig for at forstå, hvordan ioniserende stråling påvirker biologiske molekyler. Som udgangspunkt de fokuserede deres opmærksomhed på phenoxidionen, et relativt simpelt organisk molekyle, der indeholder mange af de samme typer kemiske bindinger, som findes i de proteiner, der udgør levende væv.

Højopløsningsspektroskopi var tidligere blevet brugt til at studere phenoxid i dets gasform, og ud fra den havde forskerne observeret en relativt simpel adfærd:når de blev ramt af ioniserende stråling, hvert phenoxidmolekyle vibrerer ved en enkelt frekvens, som en klokke, der ringer i en enkelt klar tone. Imidlertid, denne metode kunne ikke bruges til at studere organiske molekyler opløst i vand, som ligner de tilstandsmolekyler, der findes i biologisk væv.

Ved hjælp af et pulserende laserapparat, NTU-holdet var i stand til at registrere, hvordan stråling beskadiger phenoxidmolekyler opløst i vand. Holdet identificerede flere vibrationsfrekvenser, adskilt fra den enkelte frekvens observeret i gasformigt phenoxid. De opdagede, at når stråling får molekylerne til at skubbe en elektron ud, molekylet vibrerer i et meget komplekst mønster, mere beslægtet med lyden af ​​en bækken eller gong end en ringende klokke.

"I fremtiden, vi vil bygge videre på dette for at undersøge, hvordan stråling påvirker større og mere komplicerede molekyler, såsom proteiner og nukleinsyrer, som er livets byggesten, " sagde lektor Loh.

"Vores forskningsgruppe er specialiseret i femtokemi, og når vi blev interesseret i emnet, det viste sig at være relativt enkelt at tilpasse vores femtokemimetoder til at studere vibrationsbevægelsen af ​​ioniserede molekyler opløst i vand. Til vores overraskelse, ingen havde nogensinde taklet dette særlige problem før, " han tilføjede.