КАК БУКВА ДНК ПЕРЕЖИВАЕТ УДАР УЛЬТРАФИОЛЕТА

Основания ДНК сильно поглощают ультрафиолетовый свет и всё же удивительно стабильны: они избавляются от энергии за мгновения, не испуская света. Эта способность защищает генетический материал. Тимин особенно важен, объясняет статья, потому что его возбуждение ультрафиолетом может запустить самый распространённый вид УФ-повреждения ДНК — так называемый циклобутановый пиримидиновый димер. Такое повреждение может образоваться за мгновения или позже, через более долгоживущие триплетные состояния — другое расположение спинов электронов.

Куда же уходит энергия тимина? В воде около 80% возбуждённых молекул возвращаются прямо в основное состояние менее чем за 100 фемтосекунд (миллионных долей миллиардной доли секунды). В изолированном виде, в газе, тимин этим коротким путём не пользуется: вся энергия переходит в другое возбуждённое состояние. После 100 пикосекунд появляется долгоживущее «тёмное состояние», которое часто приписывают триплету — во многом на основании того, как долго оно живёт.

Пять атомов — пять репортёров

Сяоцзюнь Ван, Маркус Гюр и их коллеги из лаборатории DESY в Гамбурге вместе с теоретиками из Южной Кореи (Национальный университет Кёнбук) и Франции (Университет Экс-Марсель и CNRS) использовали метод, который они называют время-разрешённой многоцентровой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией.

Принцип: ультрафиолетовая вспышка (263 нанометра, длительностью около 80 фемтосекунд) возбуждает молекулы тимина, испарённые из печи при 180 °C. Затем короткий импульс мягкого рентгеновского излучения от лазера на свободных электронах FLASH выбивает внутренний электрон из атома углерода. Энергия этого электрона зависит от электронного окружения атома, поэтому каждый из пяти атомов углерода тимина — четыре в кольце, один в его маленькой метильной группе — сообщает о том, что происходит вокруг него. Задержки составляли от нескольких десятков фемтосекунд до одной наносекунды, почти шесть порядков величины, а высокая частота импульсов дала чистые данные всего за два часа. Квантово-химические расчёты ожидаемых спектров для каждого состояния служили ключом к их расшифровке.

Путь шаг за шагом

Подгонка с четырьмя последовательными состояниями даёт:

1. Первое возбуждённое состояние живёт 92 ± 18 фемтосекунд.
2. Второе, «тёмное» синглетное состояние удерживает молекулу 6,3 ± 0,2 пикосекунды. Расчёты показывают почему: путь обратно в основное состояние оттуда лежит примерно на 1,6 электронвольта в гору.
3. Затем наступает долгоживущее тёмное состояние — и здесь сюрприз. Первые 240 пикосекунд или около того его сигнал не является чистым триплетом, а представляет собой смесь дальше релаксировавшего синглетного состояния и триплета.
4. Только после этого населённость становится чистым триплетом, который сохраняется за пределами окна в одну наносекунду. Барьер в 1,33 электронвольта не даёт ему вернуться в основное состояние.

Расчёты также показывают, что переход из синглета в триплет может идти напрямую в самый нижний триплет, через точку пересечения всего примерно на 0,5 электронвольта выше захваченного синглета, без остановки на промежуточном триплете. Смесь объясняет загадку, отмечают авторы: более раннее исследование измерило выход триплета около 86%, и недостающая доля соответствует синглетной ветви, которую они выявили.

Кольцо, которое дышит

В первые 200 фемтосекунд сигнал осциллирует с частотой около 730 см⁻¹ — колебание с периодом 46 фемтосекунд, «дыхание» кольца тимина. Оно переживает первый переход между возбуждёнными состояниями, а моделирование указывает, что колебание остаётся согласованным примерно до 750 фемтосекунд. Поскольку рентгеновские лучи смотрят на несколько атомов, команда смогла увидеть, что разные атомы отвечают в противофазе: когда кольцо расширяется, сигнал от одного атома углерода растёт, а от двух других ослабевает.

Две работы метильной группы

Самая поразительная находка касается метильной группы — атома углерода с тремя атомами водорода, присоединённого к кольцу. На первых, синглетных этапах она не участвует электронно: это «инертный зритель», чья масса замедляет скручивающее движение кольца, которое иначе позволило бы молекуле сразу вернуться в основное состояние. Когда образуется триплет, её роль меняется на противоположную. Её электроны взаимодействуют с кольцом благодаря эффекту, называемому гиперконъюгацией, её рентгеновский сигнал сдвигается примерно на 2 электронвольта, и она становится самым чувствительным индикатором появления триплета.

Газ, а не клетка

Эти измерения проводились на изолированных молекулах тимина в газе, которые ведут себя иначе, чем тимин в воде или внутри ДНК. Точная природа промежуточного синглетного состояния остаётся невыясненной; чтобы выделить его, авторы предлагают рентгеновские измерения на атомах кислорода при больших задержках. Они также указывают, что ИИ использовался для улучшения читаемости и языка рукописи.