كيف ينجو حرف من حروف الحمض النووي من ضربة الأشعة فوق البنفسجية

تمتص قواعد الحمض النووي الأشعة فوق البنفسجية بقوة، ومع ذلك فهي مستقرة على نحو لافت: تتخلص من الطاقة في لحظات، من دون أن تُصدر ضوءًا. وهذه القدرة تحمي المادة الوراثية. ويوضح البحث أن الثايمين مهم على وجه الخصوص، لأن إثارته بالأشعة فوق البنفسجية قد تُطلق أكثر أنواع أضرار الأشعة فوق البنفسجية شيوعًا في الحمض النووي، المعروف باسم ثنائي البيريميدين الحلقي البيوتاني (cyclobutane pyrimidine dimer). ويمكن أن يتكوّن هذا الضرر في لحظات، أو لاحقًا، عبر حالات ثلاثية (triplet) أطول عمرًا، وهي ترتيب مختلف لدورانات (سبينات) الإلكترونات.

فإلى أين تذهب طاقة الثايمين؟ عند دراسته في الماء، يعود نحو 80% من الجزيئات المُثارة مباشرة إلى حالة الراحة في أقل من 100 فيمتوثانية (جزء من مليون من مليار من الثانية). أما حين يكون معزولًا في غاز، فلا يسلك الثايمين هذا الطريق المختصر: إذ تنتقل الطاقة كلها إلى حالة مُثارة أخرى. وبعد 100 بيكوثانية تظهر «حالة مظلمة» طويلة العمر، كثيرًا ما تُنسب إلى حالة ثلاثية — استنادًا في الغالب إلى طول دوامها.

خمس ذرات كخمسة مراسلين

استخدم شياوجون وانغ (Xiaojun Wang) وماركوس غور (Markus Gühr) وزملاؤهما في مختبر DESY بهامبورغ، مع منظّرين في كوريا الجنوبية (جامعة كيونغبوك الوطنية) وفرنسا (جامعة إكس-مرسيليا والمركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي CNRS)، تقنية يسمّونها مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية متعددة المراكز والمُحلَّلة زمنيًا.

المبدأ: ومضة فوق بنفسجية (263 نانومترًا، طولها نحو 80 فيمتوثانية) تُثير جزيئات ثايمين مُبخَّرة من فرن عند 180 °C. ثم تنتزع نبضة قصيرة من الأشعة السينية اللينة من ليزر الإلكترونات الحرة FLASH إلكترونًا داخليًا من ذرة كربون. وتتوقف طاقة هذا الإلكترون على البيئة الإلكترونية للذرة، لذلك تُخبر كل ذرة من ذرات الكربون الخمس في الثايمين — أربع في الحلقة، وواحدة في مجموعة الميثيل الصغيرة — عمّا يجري حولها. وتراوحت التأخيرات من بضع عشرات من الفيمتوثانية حتى نانوثانية واحدة، أي نحو ست مراتب من المقدار، وأتاح معدل النبضات المرتفع بيانات نظيفة في ساعتين فقط. وكانت حسابات الكيمياء الكمومية للأطياف المتوقعة لكل حالة بمثابة مفتاح لقراءتها.

المسار، خطوة خطوة

تعطي ملاءمة بأربع حالات متتالية ما يلي:

1. تدوم الحالة المُثارة الأولى 92 ± 18 فيمتوثانية.
2. تحبس حالة أحادية (singlet) ثانية «مظلمة» الجزيء طوال 6.3 ± 0.2 بيكوثانية. وتبيّن الحسابات السبب: فطريق العودة إلى حالة الراحة من هناك يصعد نحو 1.6 إلكترون فولت.
3. ثم تأتي الحالة المظلمة الطويلة العمر — وهنا المفاجأة. فخلال نحو 240 بيكوثانية الأولى، لا تكون إشارتها حالة ثلاثية خالصة، بل مزيجًا من حالة أحادية أكثر استرخاءً والحالة الثلاثية.
4. وبعد ذلك فقط يصبح الإشغال حالة ثلاثية خالصة، تدوم إلى ما بعد نافذة النانوثانية الواحدة. ويمنعها حاجز قدره 1.33 إلكترون فولت من العودة إلى حالة الراحة.

وتبيّن الحسابات أيضًا أن القفزة من الأحادية إلى الثلاثية يمكن أن تمضي مباشرة إلى أدنى حالة ثلاثية، عبر نقطة تقاطع لا تعلو الحالة الأحادية المحبوسة إلا بنحو 0.5 إلكترون فولت، من دون التوقف عند حالة ثلاثية وسيطة. ويشير المؤلفون إلى أن هذا المزيج يحل لغزًا: فقد قاست دراسة سابقة مردودًا للحالة الثلاثية يبلغ نحو 86%، والحصة الناقصة تطابق الفرع الأحادي الذي حددوه.

حلقة تتنفس

في أول 200 فيمتوثانية، تتذبذب الإشارة عند نحو 730 cm⁻¹ — اهتزاز دوره 46 فيمتوثانية، هو «تنفّس» حلقة الثايمين. ويصمد بعد القفزة الأولى بين الحالات المُثارة، وتشير المحاكاة إلى أن الاهتزاز يبقى متناغمًا حتى نحو 750 فيمتوثانية. ولأن الأشعة السينية تنظر إلى عدة ذرات، تمكّن الفريق من رؤية ذرات مختلفة تستجيب بأطوار متعاكسة: حين تتمدد الحلقة، تقوى إشارة ذرة كربون بينما تضعف إشارتا ذرتين أخريين.

مهمتا مجموعة الميثيل

أكثر النتائج لفتًا للنظر تخص مجموعة الميثيل، وهي ذرة كربون تحمل ثلاث ذرات هيدروجين ومرتبطة بالحلقة. خلال الخطوات الأولى، الأحادية، لا تشارك إلكترونيًا: إنها «متفرج قصوري» تُبطئ كتلته حركة التواء في الحلقة كانت ستسمح للجزيء لولا ذلك بالعودة مباشرة إلى حالة الراحة. وحين تتكوّن الحالة الثلاثية، ينقلب دورها. فتقترن إلكتروناتها بالحلقة عبر تأثير يُسمّى فرط الاقتران (hyperconjugation)، وتنزاح إشارتها في الأشعة السينية بنحو 2 إلكترون فولت، وتصبح أكثر المؤشرات حساسية على ظهور الحالة الثلاثية.

غاز، لا خلية

أُجريت هذه القياسات على جزيئات ثايمين معزولة في غاز، وهي تتصرف بشكل مختلف عن الثايمين في الماء أو داخل الحمض النووي. ولا تزال الطبيعة الدقيقة للحالة الأحادية الوسيطة غير محسومة؛ ويقترح المؤلفون قياسات بالأشعة السينية عند ذرات الأكسجين على تأخيرات طويلة لعزلها. ويذكرون أيضًا أن الذكاء الاصطناعي استُخدم لتحسين وضوح المخطوطة ولغتها.