BAGAIMANA SATU HURUF DNA BERTAHAN DARI HANTAMAN ULTRAVIOLET

Basa-basa DNA menyerap sinar ultraviolet dengan kuat, tetapi tetap sangat stabil: mereka membuang energi itu dalam sekejap, tanpa memancarkan cahaya. Kemampuan ini melindungi materi genetik. Timina sangat penting, jelas makalah ini, karena eksitasinya oleh sinar ultraviolet dapat memicu jenis kerusakan UV paling umum pada DNA, yang dikenal sebagai dimer pirimidina siklobutana. Kerusakan itu dapat terbentuk dalam sekejap, atau belakangan, melalui keadaan triplet yang berumur lebih panjang, yaitu susunan spin elektron yang berbeda.

Jadi ke mana perginya energi timina? Saat diteliti dalam air, sekitar 80% molekul yang tereksitasi langsung kembali ke keadaan dasarnya dalam waktu kurang dari 100 femtodetik (sepersejuta dari sepermiliar detik). Jika terisolasi dalam gas, timina tidak mengambil jalan pintas itu: seluruh energinya beralih ke keadaan tereksitasi lain. Setelah 100 pikodetik, muncul “keadaan gelap” berumur panjang, yang sering dianggap sebagai triplet — sebagian besar berdasarkan berapa lama keadaan itu bertahan.

Lima atom sebagai lima reporter

Xiaojun Wang, Markus Gühr, dan rekan-rekannya di laboratorium DESY di Hamburg, bersama para ahli teori di Korea Selatan (Kyungpook National University) dan Prancis (Universitas Aix-Marseille dan CNRS), memakai teknik yang mereka sebut spektroskopi fotoelektron sinar-X multipusat beresolusi waktu.

Prinsipnya: kilatan ultraviolet (263 nanometer, sepanjang sekitar 80 femtodetik) mengeksitasi molekul timina yang diuapkan dari sebuah tungku pada 180 °C. Pulsa singkat sinar-X lunak dari laser elektron bebas FLASH kemudian melontarkan sebuah elektron dalam dari atom karbon. Energi elektron itu bergantung pada lingkungan elektronik atomnya, sehingga masing-masing dari lima atom karbon timina — empat di cincin, satu di gugus metilnya yang kecil — melaporkan apa yang terjadi di sekitarnya. Jeda waktunya berkisar dari beberapa puluh femtodetik hingga satu nanodetik, hampir enam orde besaran, dan laju pulsa yang tinggi menghasilkan data bersih hanya dalam dua jam. Perhitungan kimia kuantum atas spektrum yang diharapkan untuk setiap keadaan menjadi kunci untuk membacanya.

Rutenya, langkah demi langkah

Pencocokan dengan empat keadaan berurutan memberikan:

1. Keadaan tereksitasi pertama berlangsung 92 ± 18 femtodetik.
2. Keadaan singlet kedua yang “gelap” menjebak molekul selama 6,3 ± 0,2 pikodetik. Perhitungan menunjukkan alasannya: jalan kembali ke keadaan dasar dari sana menanjak sekitar 1,6 elektronvolt.
3. Lalu datang keadaan gelap berumur panjang — dan di sinilah kejutannya. Selama sekitar 240 pikodetik pertama, sinyalnya bukan triplet murni, melainkan campuran antara keadaan singlet yang lebih jauh berelaksasi dan triplet.
4. Baru setelah itu populasinya menjadi triplet murni, yang bertahan melampaui jendela satu nanodetik. Penghalang sebesar 1,33 elektronvolt mencegahnya kembali ke keadaan dasar.

Perhitungan juga menunjukkan bahwa lompatan dari singlet ke triplet dapat langsung menuju triplet terendah, melalui titik persilangan yang hanya sekitar 0,5 elektronvolt di atas singlet yang terjebak, tanpa singgah di triplet perantara. Campuran itu menjelaskan sebuah teka-teki, catat para penulis: sebuah studi sebelumnya mengukur rendemen triplet sekitar 86%, dan porsi yang hilang cocok dengan cabang singlet yang mereka identifikasi.

Cincin yang bernapas

Dalam 200 femtodetik pertama, sinyalnya berosilasi pada sekitar 730 cm⁻¹ — getaran dengan periode 46 femtodetik, “napas” cincin timina. Getaran ini bertahan melewati lompatan pertama antar-keadaan tereksitasi, dan simulasi menunjukkan bahwa getaran itu tetap selaras hingga sekitar 750 femtodetik. Karena sinar-X mengamati beberapa atom, tim dapat melihat bahwa atom-atom yang berbeda merespons dengan fase berlawanan: ketika cincin mengembang, sinyal dari satu karbon menguat sementara dua lainnya melemah.

Dua tugas gugus metil

Temuan paling mencolok menyangkut gugus metil, sebuah karbon yang membawa tiga hidrogen dan menempel pada cincin. Selama langkah-langkah awal yang berupa singlet, gugus ini tidak berperan secara elektronik: ia adalah “penonton inersia” yang massanya memperlambat gerakan memuntir cincin yang jika tidak akan membuat molekul langsung kembali ke keadaan dasarnya. Begitu triplet terbentuk, perannya berbalik. Elektron-elektronnya berpasangan dengan cincin melalui efek yang disebut hiperkonjugasi, sinyal sinar-X-nya bergeser sekitar 2 elektronvolt, dan gugus ini menjadi penanda paling peka bahwa triplet telah muncul.

Gas, bukan sel

Pengukuran ini dilakukan pada molekul timina yang terisolasi dalam gas, yang berperilaku berbeda dari timina dalam air atau di dalam DNA. Sifat pasti keadaan singlet perantara masih belum terpecahkan; para penulis mengusulkan pengukuran sinar-X pada atom-atom oksigen dengan jeda panjang untuk mengisolasinya. Mereka juga menyatakan bahwa AI digunakan untuk meningkatkan keterbacaan dan bahasa naskah.