Em experimentos no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, os cientistas foram capazes de ver a primeira etapa de um processo que protege um bloco de construção de DNA chamado timina dos danos do sol:quando é atingido por luz ultravioleta, um único elétron salta para uma órbita ligeiramente mais alta em torno do núcleo de um único átomo de oxigênio.

Este salto infinitesimal desencadeia uma resposta que estica uma das ligações químicas da timina e a coloca de volta no lugar, criando vibrações que dissipam inofensivamente a energia da luz ultravioleta que entra, de modo que não causa mutações.

A técnica usada para observar este minúsculo switch-flip no Linac Coherent Light Source (LCLS) laser de elétrons livres de raios-X pode ser aplicada a quase qualquer molécula orgânica que responde à luz - seja essa luz uma coisa boa, como na fotossíntese ou visão humana, ou uma coisa ruim, como no câncer de pele, disseram os cientistas. Eles descreveram o estudo em Nature Communications hoje.

"Todas essas moléculas orgânicas sensíveis à luz tendem a absorver a luz ultravioleta. Não é só por isso que você tem queimaduras de sol, mas também é por isso que suas lentes de óculos de plástico oferecem alguma proteção UV, "disse Phil Bucksbaum, professor do SLAC e da Stanford University e diretor do Stanford PULSE Institute do SLAC. "Você pode até ver esses efeitos em móveis de plástico para jardim - depois de algumas temporadas, ele pode se tornar quebradiço e descolorido simplesmente pelo fato de que o plástico estava absorvendo luz ultravioleta o tempo todo, e a maneira como ele absorve o sol resulta em danos às suas ligações químicas. "

Captura de elétrons em ação

A timina e os outros três blocos de construção do DNA também absorvem fortemente a luz ultravioleta, que pode desencadear mutações e câncer de pele, no entanto, essas moléculas parecem sobreviver com danos mínimos. Em 2014, uma equipe liderada por Markus Guehr - então um cientista sênior da equipe do SLAC e agora no corpo docente da Universidade de Potsdam, na Alemanha - relatou que havia encontrado a resposta:o esticamento de uma única ligação e as vibrações de dissipação de energia resultantes, que ocorreu dentro de 200 femtossegundos, ou milionésimos de um bilionésimo de segundo após a exposição à luz ultravioleta.

Mas o que fez o vínculo esticar? A equipe sabia que a resposta tinha que envolver elétrons, que são responsáveis ​​pela formação, mudando e quebrando ligações entre os átomos. Então, eles desenvolveram uma maneira engenhosa de capturar os movimentos de elétrons específicos que acionam a resposta protetora.

Ele se baseou no fato de que os elétrons não orbitam o núcleo de um átomo em círculos concêntricos organizados, como planetas orbitando um sol, mas sim em nuvens difusas que assumem uma forma diferente dependendo de quão distantes estão do núcleo. Alguns desses orbitais são, na verdade, como uma esfera difusa; outros se parecem um pouco com halteres ou o início de um animal de balão. Você pode ver exemplos aqui.

Sinal forte pode resolver o debate de longa data

Para este novo experimento, os cientistas atingiram as moléculas de timina com um pulso de luz de laser ultravioleta e ajustaram a energia dos pulsos de laser de raios-X LCLS para que eles se concentrassem na resposta do átomo de oxigênio que está em uma das extremidades do alongamento, vínculo de agarramento.

A energia da luz ultravioleta excitou um dos elétrons do átomo para saltar para um orbital superior. Isso deixou o átomo em uma espécie de estado instável, onde apenas um pouco mais de energia impulsionaria um segundo elétron para um orbital superior; e esse segundo salto é o que desencadeia a resposta protetora, mudando a forma da molécula apenas o suficiente para esticar a ligação.

O primeiro salto, que antes era sabido que acontecia, é difícil de detectar porque o elétron acaba em uma nuvem orbital bastante difusa, Guehr disse. Mas o segundo, que nunca tinha sido observado antes, era muito mais fácil de detectar porque aquele elétron acabou em um orbital com uma forma distinta que emitia um grande sinal.

"Embora este tenha sido um movimento de elétron muito pequeno, o sinal meio que saltou sobre nós no experimento, "Disse Guehr." Sempre tive a sensação de que seria uma transição forte, apenas intuitivamente, mas quando vimos isso acontecer foi um momento especial, um dos melhores momentos que um experimentalista pode ter. "

Resolvendo um antigo debate

Thomas Wolf, autor principal do estudo, um cientista associado da equipe do SLAC, disse que os resultados devem encerrar um debate de longa data sobre quanto tempo após a exposição aos raios ultravioleta a resposta protetora entra em ação:Acontece 60 femtossegundos depois que a luz ultravioleta atinge. Este intervalo de tempo é importante, ele disse, porque quanto mais tempo o átomo passa no estado oscilante entre o primeiro e o segundo salto, é mais provável que sofra algum tipo de reação que possa danificar a molécula.

Henrik Koch, um teórico da NTNU na Noruega que era professor convidado em Stanford na época, conduziu o estudo com Guehr. Ele liderou o esforço para modelar, entender e interpretar o que aconteceu no experimento, e ele participou de uma maneira incomum, Guehr disse.

"Ele é extremamente experiente na aplicação da teoria ao desenvolvimento de metodologia, e ele teve a curiosidade de trazer isso para o nosso experimento, "Guehr disse." Ele estava tão fascinado por esta pesquisa que fez algo completamente atípico de um teórico - ele veio para o LCLS, na sala de controle, e ele queria ver os dados chegando. Achei isso completamente incrível e muito motivador. Descobri que parte do meu pensamento anterior estava completamente certo, mas outros aspectos estavam completamente errados, e Henrik fez a teoria certa no nível certo para que pudéssemos aprender com ela. "