有时候，放射性损伤还不够大——尤其是当涉及到用电离辐射摧毁肿瘤组织时。在放射治疗中，使用的是能特别增强肿瘤组织中辐射损伤的物质。“我们发现的分子间库仑衰变可以帮助使这种增敏剂更有效，”亚历山大·多恩说，他是马克斯·普朗克核物理研究所一个研究小组的负责人，在当前的研究中发挥了重要作用。他的团队的观察还可以提高我们对人工或自然电离辐射如何损害健康组织的遗传物质的理解。
过剩的能量导致库仑爆炸
基因组的DNA双螺旋结构类似于由核酸碱基对组成的绳梯。“因为用游离的核酸做实验很困难，我们最初把对苯分子作为模型系统来研究，”多恩解释说。这些碳氢化合物环的连接方式与DNA链中相互叠加的核酸基相似。研究人员用电子轰击苯对，从而在一定程度上模拟了放射性辐射。当一个电子撞击苯分子时，它被电离并带着大量的能量。研究小组现在观察到，该分子将部分能量转移给了它的伙伴分子。这种能量的增加足以使第二个分子也电离。因此，两个分子都带正电荷。当然，这并没有持续太久。这两个分子离子相互排斥，在库仑爆炸中分离开来。
到目前为止，科学家们一直认为电离辐射对生物分子的损害主要是间接的。高能辐射还能使水电离，水是细胞的主要组成部分，包围着诸如DNA这样的生物分子。离子化的水分子——尤其是氢氧根离子——然后攻击DNA。如果辐射的电子或量子直接撞击DNA分子，多余的能量通常会在分子本身的过程中消散。因此，它保持完整。至少到目前为止，人们都是这么认为的。在任何情况下，不同分子或分子不同部分之间的弱键——就像存在于DNA和蛋白质中的那样——也不应该受到这种影响。然而，在他们的反应显微镜下，研究人员观察到放射性辐射确实可以打破这种键。这种仪器不仅可以探测到两个分离的苯分子并测量它们的能量，而且还可以对发射的电子进行表征。
多重DNA断裂的致命后果
“目前还不清楚分子间的库仑衰变是如何影响DNA链的，”多恩说。如果DNA阶梯中的单链断裂，后果应该不会太严重。然而，观察到的机制也会释放出几个电子，这些电子可以“炸掉”更多对分子。如果两条DNA链都在附近断裂，这可能会造成致命的后果。
为了更好地评估辐射对遗传物质的影响，多恩的团队现在还将在反应显微镜下用电子轰击对核酸。“这在实验上是具有挑战性的，因为我们必须加热核基以使其汽化，”多恩解释说。“但它们也不能太热——这样它们就不会被摧毁。”核医生也可以沿着海德堡小组通过观察分子间的库仑衰变而发现的更有效的增敏剂。因此，这一机制可能与两种辐射损害情况有关:需要尽量避免的辐射损害和应该尽量避免的辐射损害。
Journal Reference:
Xueguang Ren, Jiaqi Zhou, Enliang Wang, Tao Yang, Zhongfeng Xu, Nicolas Sisourat, Thomas pfeifer, Alexander Dorn. Ultrafast energy transfer between π-stacked aromatic rings upon inner-valence ionization. Nature Chemistry, 2021; DOI: 10.1038/s41557-021-00838-4