I experiment vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, forskare kunde se det första steget i en process som skyddar ett DNA -byggsten som kallas tymin från solskador:När det träffas med ultraviolett ljus, en enda elektron hoppar in i en något högre bana runt kärnan i en enda syreatom.

Detta oändliga språng utlöser ett svar som sträcker en av tymins kemiska bindningar och snäpper tillbaka den på plats, skapar vibrationer som ofarligt sprider energin från inkommande ultraviolett ljus så att det inte orsakar mutationer.

Tekniken som används för att observera denna lilla switch-flip vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenfri elektronlaser kan appliceras på nästan vilken organisk molekyl som helst som reagerar på ljus-om det ljuset är bra, som vid fotosyntes eller människosyn, eller en dålig sak, som vid hudcancer, sa forskarna. De beskrev studien i Naturkommunikation i dag.

"Alla dessa ljuskänsliga organiska molekyler tenderar att absorbera ljus i ultraviolett. Det är inte bara därför du blir solbränd, men det är också därför dina glasögonlinser i plast ger lite UV -skydd, "sa Phil Bucksbaum, en professor vid SLAC och Stanford University och chef för Stanford PULSE Institute vid SLAC. "Du kan till och med se dessa effekter i gräsmattor av plast - efter ett par säsonger kan det bli sprött och missfärgat helt enkelt på grund av att plasten absorberar ultraviolett ljus hela tiden, och hur det absorberar solen resulterar i skador på dess kemiska bindningar. "

Fånga elektroner i aktion

Tymin och de andra tre DNA -byggstenarna absorberar också starkt ultraviolett ljus, som kan utlösa mutationer och hudcancer, men dessa molekyler verkar klara sig med minimal skada. Under 2014, rapporterade ett team som leddes av Markus Guehr-då en senior SLAC-forskare och nu vid fakulteten vid universitetet i Potsdam i Tyskland-att de hade hittat svaret:Stretch-snap av en enda bindning och resulterande energispridande vibrationer, som ägde rum inom 200 femtosekunder, eller miljoner av en miljarddel av en sekund efter exponering för UV -ljus.

Men vad fick bandet att sträcka sig? Teamet visste att svaret måste innebära elektroner, som är ansvariga för bildandet, ändra och bryta bindningar mellan atomer. Så de kom på ett genialt sätt att fånga de specifika elektronrörelserna som utlöser det skyddande svaret.

Den förlitade sig på det faktum att elektroner inte kretsar om en atomkärna i snygga koncentriska cirklar, som planeter som kretsar runt en sol, utan snarare i luddiga moln som tar en annan form beroende på hur långt de är från kärnan. Några av dessa orbitaler är faktiskt som en suddig sfär; andra ser lite ut som skivstänger eller starten på ett ballongdjur. Du kan se exempel här.

Stark signal kan lösa långvarig debatt

För detta nya experiment, forskarna slog tyminmolekylerna med en puls av UV-laserljus och stämde energin från LCLS-röntgenlaserpulserna så att de kunde komma in på svaret från syreatomen som är i ena änden av sträckningen, knäppande band.

Energin från UV -ljuset upphetsade en av atomens elektroner för att hoppa in i en högre bana. Detta lämnade atomen i ett slags tippigt tillstånd där bara lite mer energi skulle öka en andra elektron till en högre orbital; och det andra hoppet är det som sätter igång det skyddande svaret, ändra molekylens form precis tillräckligt för att sträcka bindningen.

Det första hoppet, som tidigare var känt att hända, är svår att upptäcka eftersom elektronen hamnar i ett ganska diffust orbitalmoln, Sa Guehr. Men det andra, som aldrig tidigare observerats, var mycket lättare att upptäcka eftersom den elektronen hamnade i en orbital med en distinkt form som gav en stor signal.

"Även om detta var en mycket liten elektronrörelse, signalen hoppade ut på oss i experimentet, "Sa Guehr." Jag hade alltid en känsla av att det här skulle bli en stark övergång, bara intuitivt, men när vi såg detta komma in var det ett speciellt ögonblick, en av de bästa stunderna en experimentist kan ha. "

Att lösa en långvarig debatt

Studera huvudförfattaren Thomas Wolf, en associerad personalvetare vid SLAC, sa att resultaten borde lösa en mångårig debatt om hur länge efter UV -exponering skyddsresponsen slår in:Det händer 60 femtosekunder efter att UV -ljus träffar. Denna tidsperiod är viktig, han sa, eftersom ju längre atomen spenderar i tippy -tillståndet mellan det första hoppet och det andra, desto mer sannolikt är det att genomgå någon form av reaktion som kan skada molekylen.

Henrik Koch, en teoretiker vid NTNU i Norge som då var gästprofessor vid Stanford, ledde studien med Guehr. Han ledde ansträngningen att modellera, förstå och tolka vad som hände i experimentet, och han deltog i det i ovanlig omfattning, Sa Guehr.

"Han är oerhört erfaren i att tillämpa teori på metodutveckling, och han hade denna nyfikenhet att föra detta till vårt experiment, "Guehr sa." Han var så fascinerad av denna forskning att han gjorde något helt otypiskt av en teoretiker - han kom till LCLS, in i kontrollrummet, och han ville se data komma in. Jag tyckte det var helt fantastiskt och mycket motiverande. Det visade sig att en del av mitt tidigare tänkande var helt rätt men andra aspekter var helt fel, och Henrik gjorde rätt teori på rätt nivå så att vi kunde lära av det. "