En experimentos en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, Los científicos pudieron ver el primer paso de un proceso que protege un bloque de construcción de ADN llamado timina del daño solar:cuando es golpeado con luz ultravioleta, un solo electrón salta a una órbita ligeramente más alta alrededor del núcleo de un solo átomo de oxígeno.

Este salto infinitesimal desencadena una respuesta que estira uno de los enlaces químicos de la timina y lo vuelve a colocar en su lugar. creando vibraciones que disipan inofensivamente la energía de la luz ultravioleta entrante para que no cause mutaciones.

La técnica utilizada para observar este pequeño interruptor en el láser de electrones libres de rayos X Linac Coherent Light Source (LCLS) de SLAC se puede aplicar a casi cualquier molécula orgánica que responda a la luz, ya sea que esa luz sea algo bueno, como en la fotosíntesis o la visión humana, o algo malo, como en el cáncer de piel, dijeron los científicos. Describieron el estudio en Comunicaciones de la naturaleza hoy dia.

"Todas estas moléculas orgánicas sensibles a la luz tienden a absorber la luz en el ultravioleta. Esa no es solo la razón por la que se quema el sol, pero también es la razón por la que sus lentes de plástico para anteojos ofrecen cierta protección contra los rayos UV, "dijo Phil Bucksbaum, profesor en SLAC y la Universidad de Stanford y director del Stanford PULSE Institute en SLAC. "Incluso se pueden ver estos efectos en los muebles de plástico para césped; después de un par de temporadas, pueden volverse quebradizos y decolorados simplemente por el hecho de que el plástico absorbe luz ultravioleta todo el tiempo, y la forma en que absorbe el sol daña sus enlaces químicos ".

Captura de electrones en acción

La timina y los otros tres componentes básicos del ADN también absorben fuertemente la luz ultravioleta, que puede desencadenar mutaciones y cáncer de piel, sin embargo, estas moléculas parecen arreglárselas con un daño mínimo. En 2014, un equipo dirigido por Markus Guehr, entonces un científico senior de SLAC y ahora en la facultad de la Universidad de Potsdam en Alemania, informó que habían encontrado la respuesta:el estiramiento-chasquido de un enlace simple y las vibraciones de disipación de energía resultantes, que tuvo lugar en 200 femtosegundos, o millonésimas de mil millonésimas de segundo después de la exposición a la luz ultravioleta.

Pero, ¿qué hizo que el vínculo se estirara? El equipo sabía que la respuesta tenía que involucrar electrones, que se encargan de formar, cambiando y rompiendo enlaces entre átomos. Así que idearon una forma ingeniosa de captar los movimientos específicos de los electrones que desencadenan la respuesta protectora.

Se basaba en el hecho de que los electrones no orbitan el núcleo de un átomo en nítidos círculos concéntricos, como planetas orbitando un sol, sino más bien en nubes difusas que toman una forma diferente según lo lejos que estén del núcleo. Algunos de estos orbitales son de hecho como una esfera borrosa; otros se parecen un poco a pesas o al comienzo de un animal globo. Puedes ver ejemplos aquí.

Una señal fuerte podría resolver un debate de larga data

Para este nuevo experimento, los científicos golpearon las moléculas de timina con un pulso de luz láser ultravioleta y sintonizaron la energía de los pulsos del láser de rayos X LCLS para que se concentraran en la respuesta del átomo de oxígeno que se encuentra en un extremo del estiramiento, rompiendo el vínculo.

La energía de la luz ultravioleta excitó uno de los electrones del átomo para saltar a un orbital superior. Esto dejó al átomo en una especie de estado de punta en el que un poco más de energía impulsaría un segundo electrón a un orbital superior; y ese segundo salto es lo que desencadena la respuesta protectora, cambiando la forma de la molécula lo suficiente para estirar el enlace.

El primer salto que anteriormente se sabía que sucedía, es difícil de detectar porque el electrón termina en una nube orbital bastante difusa, Dijo Guehr. Pero el segundo que nunca antes se había observado, fue mucho más fácil de detectar porque ese electrón terminó en un orbital con una forma distintiva que emitía una gran señal.

"Aunque este fue un movimiento de electrones muy pequeño, la señal nos llamó la atención en el experimento, ", Dijo Guehr." Siempre tuve la sensación de que esta sería una transición fuerte, solo intuitivamente, pero cuando vimos esto, fue un momento especial, uno de los mejores momentos que puede tener un experimentalista ".

Resolver un debate de larga data

El autor principal del estudio, Thomas Wolf, un científico asociado del personal en SLAC, dijo que los resultados deberían resolver un debate de larga data sobre cuánto tiempo después de la exposición a los rayos ultravioleta se activa la respuesta protectora:ocurre 60 femtosegundos después de los rayos ultravioleta. Este lapso de tiempo es importante, él dijo, porque cuanto más tiempo pasa el átomo en el estado inclinado entre el primer salto y el segundo, es más probable que experimente algún tipo de reacción que pueda dañar la molécula.

Henrik Koch, un teórico de NTNU en Noruega que era profesor invitado en Stanford en ese momento, dirigió el estudio con Guehr. Lideró el esfuerzo de modelar, comprender e interpretar lo que sucedió en el experimento, y participó en ella de manera inusual, Dijo Guehr.

"Tiene una gran experiencia en la aplicación de la teoría al desarrollo de metodologías, y tenía esta curiosidad por llevar esto a nuestro experimento, ", Dijo Guehr." Estaba tan fascinado con esta investigación que hizo algo completamente atípico de un teórico:llegó a LCLS, en la sala de control, y él quería ver la información que llegaba. Me pareció completamente asombroso y muy motivador. Resultó que algunas de mis ideas anteriores eran completamente correctas, pero otros aspectos estaban completamente equivocados. y Henrik hizo la teoría correcta en el nivel correcto para que pudiéramos aprender de ella ".