Forskare vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat en teknik för att observera hur strålning skadar molekyler över tidsramar på bara en kvadriljondel av en sekund - eller en femtosekund.

Tekniken innebär att man löser upp organiska molekyler i vatten för att simulera tillståndsmolekylerna som finns i biologisk vävnad. Detta gör att forskargruppen kan se strålningsskador uppstå i biologisk vävnad och molekyler med större precision och tydlighet än någonsin tidigare.

Kärn- eller joniserande strålning kan skada organismer genom att ändra DNA och andra biologiska molekyler när den sönderfaller de kemiska bindningarna som håller molekylerna ihop.

Med sin nya teknik, forskarna tittade på vibrationer som genereras av kollisioner av joniserande strålningspartiklar med en organisk molekyl, som så småningom fick den att bryta sönder efter att ha genomgått våldsam sträckning, böjning, och vridande rörelser. Dessa vibrationer inträffade bara när molekylerna löstes i vatten, vilket representerar ett betydande framsteg jämfört med tidigare studier.

Docent Zhi-Heng Loh, en assisterande ordförande vid NTU:s School of Physical &Mathematical Sciences som ledde forskningen, sa, "Detta är första gången någon har observerat joniseringsinducerad molekylär dynamik i vattenlösningar på femtosekunders tidsskalor. I tidigare studier har forskare kunde bara observera produkterna av jonisering efter att molekylen redan hade brutits isär. "

Även om farorna med strålning har varit allmänt erkända sedan 1930 -talet, när Marie Curie dog av anemi orsakad av hennes långvariga exponering för radioaktivitet, de exakta processer genom vilka joniserande strålning förändrar molekyler är fortfarande inte helt förstått.

Studien använde metoder från femtokemi för att fånga hur atomer och molekyler beter sig vid extremt korta tidsskalor, som vid bildandet eller brytningen av kemiska bindningar som tar några kvadriljondelar av en sekund, eller femtosekunder.

Femtokemi använder lasrar som avger extremt korta ljuspulser och varje puls skapar en ögonblicksbild av den kemiska reaktionen. Dessa kan sedan sys ihop som bildrutor i en video, för att se ultrasnabba kemiska processer från början till slut.

Avtäcka hur strålning förändrar molekyler

Docent Loh och hans team gav sig ut för att förstå hur joniserande strålning påverkar biologiska molekyler. Som en utgångspunkt, de fokuserade sin uppmärksamhet på fenoxidjonen, en relativt enkel organisk molekyl som innehåller många av samma typer av kemiska bindningar som finns i proteinerna som utgör levande vävnad.

Högupplöst spektroskopi hade tidigare använts för att studera fenoxid i dess gasform, och därifrån hade forskare observerat ett relativt enkelt beteende:när de träffades av joniserande strålning, varje fenoxidmolekyl vibrerar med en enda frekvens, som en klocka som ringer i en enda klar ton. Dock, denna metod kunde inte användas för att studera organiska molekyler upplösta i vatten, som liknar tillståndsmolekylerna finns i biologisk vävnad.

Med hjälp av en pulserande laserapparat, NTU -teamet kunde registrera hur strålning skadar fenoxidmolekyler upplösta i vatten. Teamet identifierade flera vibrationsfrekvenser, skiljer sig från den enda frekvensen som observerats i gasformig fenoxid. De upptäckte att när strålning får molekylerna att mata ut en elektron, molekylen vibrerar i ett mycket komplext mönster, mer lik ljudet av en cymbal eller gong än en ringande klocka.

"I framtiden, vi kommer att bygga vidare på detta för att undersöka hur strålning påverkar större och mer komplicerade molekyler, såsom proteiner och nukleinsyror, som är livets byggstenar, "sade docent Loh.

"Vår forskargrupp är specialiserad på femtokemi, och när vi väl blev intresserade av ämnet, det visade sig vara relativt enkelt att anpassa våra femtokemiska metoder till att studera vibrationsrörelsen hos joniserade molekyler upplösta i vatten. Till vår förvåning, ingen hade någonsin tacklat detta problem tidigare, " han lade till.