DNA, som lagrar genetisk information i de flesta organismer på jorden, är inte lätt att förstöra. Det absorberar lätt ultraviolett (UV) strålning, men hittar sätt att återhämta sig.

För att bekämpa strålningsskador, celler har utvecklat DNA-reparationsmekanismer, samt mekanismer för att ta bort energin innan den bryter DNA, såsom autojonisering, vilket är den process genom vilken makromolekylen i ett exciterat tillstånd spontant sänder ut en av sina elektroner, frigör en enorm mängd energi. Att förstå denna mekanism är avgörande för att undersöka och mildra effekterna av strålning på levande organismer.

Ett team av forskare från Lehigh University (Slava V. Rotkin, Tetyana Ignatova, Michael Blades), University of Central Florida (Alexander Balaeff), National Institute of Standards and Technology (Ming Zheng) och en student från University of Rochester som deltar i det NSF-stödda sommarprogrammet "Research Experiences for Undergraduates" (REU) vid Lehigh (Peter Stoeckl) satte sig för att förstå stabiliteten i DNA som bärare av genetisk information mot potentiell skada av UV-strålning. De har rapporterat sina resultat i en tidning som nyligen godkänts för publicering i Nanoforskning .

Rotkin och hans kollegor studerade självmonterade komplex av DNA lindade runt kolnanorör med en vägg med en speciell teknik:tvåfärgsfotoluminescensspektroskopi. Att använda UV och grönt ljus samtidigt för att undersöka provet gav ett perspektiv som ingen hade kunnat observera tidigare i enfärgade experiment. Senare, en kvantmekanisk teori utvecklades för att stödja experimentella data och de kunde bekräfta en mycket snabb DNA-autojoniseringshastighet.

"Att kunna fastställa effektiviteten av autojoniseringsprocessen är ett nyckelsteg för att förstå hur UV-exciterat DNA kan "kyla" utan att gå sönder, behåller därmed sina normala biologiska funktioner, sade Rotkin, en professor vid Lehighs institution för fysik och institutionen för materialvetenskap och teknik.

Teamets innovativa tillvägagångssätt har stor potential för att övervaka DNA-excitation, autojonisering och kemisk skada som är viktig för så olika områden som medicin, evolutionsbiologi, och rymdutforskning. För biomedicinska ändamål, Förmågan att studera autojoniseringsmekanismen skulle kunna bidra till en förståelse av de överlevbara nivåerna av UV-strålning för olika celltyper och sätt att mildra strålningseffekterna. Ur ett evolutionärt perspektiv, det är viktigt att förstå spridningsmekanismerna som var avgörande under primordial cellevolution när UV-strålning var storleksordningar mer intensiv än idag medan DNA-reparationsmekanismerna antagligen var obefintliga. För fortsatt utforskning av rymden, det är viktigt att utveckla strategier för cellulär och organismsäkerhet i tuffa strålningsförhållanden.

Det tog forskarna tre år att samla in data och analysera effekterna. "Vi hittade onormalt beteende hos nanorörsutsläppet:det verkade som att något "stal" det utsända ljuset under den andra färgens UV-belysning, ", sa Rotkin. "Detta område är fortfarande extremt underutforskat. Ingen hade sett detta tidigare och vi var tvungna att göra en hypotes om tvåfärgsdata ett tag, att lägga fram och experimentellt förkasta olika modeller för att hitta rätt tolkning."

Det var först när de antog att DNA:t var källan till det observerade fenomenet - och förkastade en allmänt accepterad modell - som forskarna kunde till fullo förstå nanorörs optisk släckning.

DNA är mycket användbart för att studera nanorör. En DNA-sträng lindad runt ett enda kolnanorör - en cylindrisk kolstruktur i miniatyr som har ett hexagonalt grafitgitter och väggar som bara är en atom tjocka - kommer att hålla nanoröret i vatten och tillåta det att ha praktiskt taget samma goda optiska egenskaper som orörda material.

Initialt, forskarna blev förvånade över att observera förändringar i nanorörets optiska egenskaper när UV-ljuset applicerades på proverna.

"I flera år har det varit allmänt accepterat att DNA är en "inert" bärare för nanorör och att DNA håller nanoröret i vatten utan att ändra dess egenskaper, ", tillade Rotkin. "Det tog flera år för vårt team att skiljas från denna vanligt förekommande idé, eftersom det var så brett accepterat. Till sist, efter en rad ytterligare experiment, uppgifterna indikerade tydligt att moduleringens ursprung var själva DNA:t."

I hälarna på denna upptäckt, forskarna har flyttat fokus för sitt projekt för att se hur deras tvåfärgsfotoluminescensspektroskopiteknik kan användas för att ytterligare undersöka egenskaperna hos DNA.

"Det är nu underförstått att olika DNA-nukleobaser visar olika autojoniseringsegenskaper, " avslutade Rotkin. "Vi förväntar oss att detta kommer att skapa oöverträffade icke-invasiva biomolekylära verktyg för att lösa kritiska problem med biofysik av nukleinsyror."

Studien finansierades av National Science Foundation (NSF:ECCS) inom projektet som heter "Fundamental physics and biosensing applications of composite fluorescerende nanomaterials - sällsynta jordartsmetaller kombinerade med DNA-inneslutna kolnanorör."