När molekylerna som bär den genetiska koden i våra celler utsätts för skada, de har försvar mot potentiella brott och mutationer.

Till exempel, när DNA träffas med ultraviolett ljus, den kan förlora överskottsenergi från strålning genom att mata ut kärnan i en väteatom - en enda proton - för att förhindra att andra kemiska bindningar i systemet bryts.

För att få insikt i denna process, forskare använde röntgenlaserpulser från Linac Coherent Light Source (LCLS) vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory för att undersöka hur energi från ljus omvandlar en relativt enkel molekyl, 2-tiopyridon. Denna molekyl genomgår en kemisk transformation som också sker i byggstenarna i DNA. Forskarna tittade på denna process genom att sondera kväveatomen i molekylen med röntgenpulser som varade bara femtosekunder, eller kvadriljondelar av en sekund.

Resultaten, publicerad i Angewandte Chemie , är ett steg mot bättre förståelse av vad som kallas "upphetsade protonöverföringar" i DNA och andra molekyler.

"Just nu, vi vill hålla det enkelt, säger huvudförfattaren Sebastian Eckert, doktorand vid universitetet i Potsdam och Helmholtz-Zentrum Berlin. "Det är lättare att titta på effekterna av fotoexcitation i 2-tiopyridon eftersom denna molekyl är tillräckligt liten för att förstå och bara har en kväveatom. Vi är bland de första på LCLS som tittar på kväve på denna energi, så det är lite av ett pilotförsök. "

Detta är också första gången metoden, känd som resonant oelastisk röntgenspridning eller RIXS, har använts för att titta på molekylära förändringar som involverar kväve som sker i femtosekunder. Denna korta tidsram är viktig eftersom det är hur snabbt protoner sparkas bort från molekyler som utsätts för ljus, och det kräver lysande röntgenstrålar för att se dessa ultrasnabba förändringar.

"LCLS är den enda röntgenljuskällan som kan ge tillräckligt med fotoner-ljuspartiklar, "säger medförfattaren Munira Khalil, professor vid University of Washington. "Vår detektionsmekanism är" fotonhungrig "och kräver intensiva ljuspulser för att fånga den effekt vi vill se."

I studien, forskarna använde en optisk laser för att initiera förändringar i molekylen, följt av en LCLS-röntgensond som tillät dem att se rörelser i bindningarna.

"Vi letar efter en resonanseffekt-en signatur som låter oss veta att vi har ställt in röntgenstrålarna på en energi som säkerställer att vi bara undersöker förändringar relaterade till eller nära kväveatomen, "säger Mike Minitti, personalvetare vid LCLS och medförfattare till uppsatsen.

Dessa "on-resonance" -studier förstärker signalen på ett sätt som forskare tydligt kan tolka hur röntgenstrålar interagerar med provet.

Forskargruppen tittade främst på bindningarna mellan atomer grannkväve, och bekräftade att optiskt ljus bryter kväve-vätebindningar.

"Vi kunde också bekräfta att röntgenstrålarna som används för att undersöka provet inte bryter kväve-vätebindningen, så själva sonden skapar inte en artificiell effekt. Röntgenenergin överförs istället till en bindning mellan kväve och kolatomer, sönder det, säger Jesper Norell, doktorand vid Stockholms universitet och medförfattare till uppsatsen.

Nästa, samarbetet kommer att använda samma tillvägagångssätt för att studera mer komplexa molekyler och få insikt i den breda klassen av fotokemiska reaktioner.