En experimentos en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, los científicos pudieron ver el primer paso de un proceso que protege un bloque de construcción de ADN llamado timina del daño solar: cuando es golpeado con luz ultravioleta, un solo electrón salta a unórbita ligeramente más alta alrededor del núcleo de un solo átomo de oxígeno.
Este salto infinitesimal desencadena una respuesta que estira uno de los enlaces químicos de la timina y lo vuelve a colocar en su lugar, creando vibraciones que disipan inofensivamente la energía de la luz ultravioleta entrante para que no cause mutaciones.
La técnica utilizada para observar este pequeño cambio de interruptor en el láser de rayos X de rayos libres de fuente de luz coherente Linac LCLS de SLAC se puede aplicar a casi cualquier molécula orgánica que responda a la luz, ya sea que esa luz sea algo bueno,como en la fotosíntesis o la visión humana, o algo malo, como en el cáncer de piel, dijeron los científicos. Describieron el estudio en Comunicaciones de la naturaleza hoy
"Todas estas moléculas orgánicas sensibles a la luz tienden a absorber la luz en el ultravioleta. Por eso no solo te quemas, sino también por qué tus lentes de plástico ofrecen cierta protección contra los rayos UV", dijo Phil Bucksbaum, profesor de SLAC yStanford University y director del Stanford PULSE Institute en SLAC. "Incluso puede ver estos efectos en los muebles plásticos para césped: después de un par de temporadas puede volverse quebradizo y descolorido simplemente porque el plástico absorbe toda la luz ultravioleta.tiempo, y la forma en que absorbe el sol daña sus enlaces químicos "
Atrapando electrones en acción
La timina y los otros tres bloques de construcción de ADN también absorben fuertemente la luz ultravioleta, que puede desencadenar mutaciones y cáncer de piel, sin embargo, estas moléculas parecen funcionar con un daño mínimo. En 2014, un equipo dirigido por Markus Guehr, entonces un senior de SLACEl científico del personal y ahora en la facultad de la Universidad de Potsdam en Alemania, informó que habían encontrado la respuesta: el estiramiento de un solo enlace y las vibraciones de disipación de energía resultantes, que tuvieron lugar en 200 femtosegundos, o millonésimas de unbillonésima de segundo después de la exposición a la luz UV.
¿Pero qué hizo que el enlace se estirara? El equipo sabía que la respuesta tenía que involucrar a los electrones, que son responsables de formar, cambiar y romper los enlaces entre los átomos. Entonces idearon una forma ingeniosa de detectar los movimientos de electrones específicos que activan la respuesta protectora.
Se basó en el hecho de que los electrones no orbitan el núcleo de un átomo en círculos concéntricos limpios, como los planetas que orbitan un sol, sino más bien en nubes difusas que toman una forma diferente dependiendo de qué tan lejos estén del núcleo. Algunos de estoslos orbitales son, de hecho, como una esfera borrosa; otros se parecen un poco a pesas o al comienzo de un animal con globo.
Señal fuerte podría resolver un debate de larga data
Para este nuevo experimento, los científicos golpearon las moléculas de timina con un pulso de luz láser UV y sintonizaron la energía de los pulsos de láser de rayos X LCLS para que pudieran concentrarse en la respuesta del átomo de oxígeno que está en un extremo del estiramiento, enlace de ruptura.
La energía de la luz ultravioleta excitó a uno de los electrones del átomo para saltar a un orbital más alto. Esto dejó al átomo en una especie de estado tippy donde solo un poco más de energía impulsaría un segundo electrón a un orbital más alto; y ese segundosaltar es lo que desencadena la respuesta protectora, cambiando la forma de la molécula lo suficiente como para estirar el enlace.
El primer salto, que antes se sabía que ocurría, es difícil de detectar porque el electrón termina en una nube orbital bastante difusa, dijo Guehr. Pero el segundo, que nunca antes se había observado, era mucho más fácil de detectar porque esoel electrón terminó en un orbital con una forma distintiva que emitió una gran señal.
"Aunque este fue un movimiento de electrones muy pequeño, la señal saltó hacia nosotros en el experimento", dijo Guehr. "Siempre tuve la sensación de que sería una transición fuerte, solo intuitivamente, pero cuando vimos que esto ocurríafue un momento especial, uno de los mejores momentos que un experimentalista puede tener "
Resolviendo un debate de larga data
El autor principal del estudio, Thomas Wolf, científico asociado del personal de SLAC, dijo que los resultados deberían resolver un largo debate sobre cuánto tiempo después de la exposición a los rayos UV se activa la respuesta protectora: sucede 60 femtosegundos después de que la luz UV impacta.Dijo, porque cuanto más tiempo pasa el átomo en el estado tippy entre el primer salto y el segundo, es más probable que sufra algún tipo de reacción que pueda dañar la molécula.
Henrik Koch, un teórico de NTNU en Noruega que era profesor invitado en Stanford en ese momento, dirigió el estudio con Guehr. Dirigió el esfuerzo de modelar, comprender e interpretar lo que sucedió en el experimento, y participó en él parauna extensión inusual, dijo Guehr.
"Tiene mucha experiencia en la aplicación de la teoría al desarrollo de la metodología, y tenía la curiosidad de traer esto a nuestro experimento", dijo Guehr. "Estaba tan fascinado por esta investigación que hizo algo completamente atípico de un teórico: élllegó a LCLS, a la sala de control, y él quería ver la entrada de datos. Me pareció completamente sorprendente y muy motivador. Resultó que parte de mi pensamiento anterior era completamente correcto, pero otros aspectos estaban completamente equivocados, y Henrik lo hizo.la teoría correcta en el nivel correcto para que podamos aprender de ella "
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Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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