Исследователям из Иркутского института химии им. А. Е. Фаворского СО РАН и Иркутского государственного университета совместно с коллегами из Германии впервые удалось показать, как развивается радиационное повреждение биологической материи, одновременно экспериментальными и теоретическими методами, сообщает издание «Наука в Сибири». Результаты работы опубликованы в Nature Physics.

Воздействие высокоэнергетического излучения (рентгена, ультрафиолета, свободных электронов и других) приводит к образованию в атомах и молекулах неких «дырок» — так называемых внутренних вакансий. Из-за того, что из внутренних электронных оболочек выбиваются электроны, в системе возникают высокоэнергетические состояния. В таких состояниях «запасено» много энергии, поэтому сразу после их возникновения начинаются сложные релаксационные процессы. В живой материи они могут привести к повреждениям биологических систем (самая актуальная здесь проблема — повреждение ДНК). Сегодня исследователи всего мира пытаются понять, почему происходят такие повреждения и как их избежать.

Здесь существенным является следующее: биологические молекулы — не изолированные, они находятся в какой-то среде (чаще всего в водной), в которой при образовании высоковозбужденного состояния появляется масса возможностей для распада, эволюции и релаксации, причем именно с учетом молекул окружения.

«Если в атоме чаще всего имеют место так называемые процессы Оже-распада, то в молекулах, которые находятся в окружении и вовлечены в различные слабосвязанные комплексы, появляется огромное количество дополнительных каналов распада. В частности, если в одном из атомов возникает глубоколежащая вакансия (то есть “дырка” во внутренних электронных оболочках), то дальше, при релаксации и высвобождении энергии, часть электронов начинают “падать” в эту “дырку”. Таким образом высвобождается энергия, которая может привести к ионизации последующих электронов, в том числе и на слабосвязанных фрагментах», — рассказывает ведущий научный сотрудник ИрИХ СО РАН доктор химических наук Александр Борисович Трофимов.

Например, если на какой-то биомолекуле образовалась вакансия, то может произойти выброс электрона на молекуле окружающей воды. То есть идет перераспределение энергии через водородные связи, которыми эти фрагменты связаны друг с другом, что приводит к выбросу электрона с соседнего фрагмента. Или наоборот — если ионизируется вода, то может произойти выброс электрона на биомолекуле. В конечном счете, получаются два фрагмента, на каждом из которых находится «дырка», то есть положительный заряд в электронных оболочках. Так как положительные заряды отталкиваются, это приводит к неминуемому распаду фрагментов. В результате получаются две активные частицы — катион-радикалы, которые в свою очередь могут вступать в химические реакции и вызывать какие-то дальнейшие процессы, в том числе повреждения. Понять элементарные стадии этих процессов очень важно для ученых.

«В этом году нам совместно с коллегами из Института Макса Планка, Гейдельбергского университета (Германия) и Иркутского государственного университета впервые удалось продемонстрировать один из процессов, которые могут происходить при высокоэнергетическом возбуждении биомолекулы в окружении, одновременно экспериментальными и теоретическими методами (до этого таких попыток не предпринималось). Инициатива нашего участия в исследованиях в рамках данной тематики принадлежит старшему научному сотруднику ИГУ кандидату химических наук Анне Дмитриевне Скитневской», — говорит Александр Трофимов.

В качестве модели был выбран тетрагидрофуран — простая химическая молекула, которая часто используется как модель остатка сахара в молекуле ДНК, содержащегося в каждом нуклеотиде. Поскольку предполагается, что ДНК находится в водном окружении, модель включала в себя также молекулу воды. Дальше был сделан ряд сложных спектроскопических экспериментов на базе Института Макса Планка с использованием техники электронного удара; возбуждение осуществлялось с помощью пучка электронов. Это приводило к образованию вакансии — в частности, на атомах кислорода, а затем исследователи отслеживали то, что происходит впоследствии.

Все эти результаты обрабатывались и интерпретировались при помощи квантово-химических расчетов, которые выполнялись в Иркутске (ИрИХ и ИГУ). При этом использовались разработанные иркутскими учеными методы алгебраического диаграммного построения для функций Грина и оригинальное программное обеспечение. Для проведения расчетов были задействованы самые мощные компьютеры.

«Без теоретического моделирования разобраться с тем, что происходит, в принципе невозможно, — рассказывает Александр Трофимов. — Наши предположения подтвердились. Впервые было показано, что в результате высокоэнергетического возбуждения может происходить ионизация молекулы воды с глубоко лежащих уровней и дальше в процессе релаксации — выброс электрона с молекулы тетрагидрофурана. Это приводит к образованию двух заряженных частиц, которые расталкиваются и разваливаются на части. Был сделан очень важный шаг вперед. Полученные результаты позволяют улучшить наше понимание радиационного повреждения биологической материи. Кроме того, работа закладывает основу для дальнейшего исследования механизмов релаксации высоковозбужденных состояний гидратированных биомолекул, изучения путей переноса энергии в них, а также разработки эффективных способов их защиты».