Многие биологически важные молекулы меняют форму под воздействием ультрафиолетового излучения. Хотя это свойство встречается и в некоторых лекарственных препаратах, его природа до сих пор оставалась малоизученной.

Международная исследовательская группа с участием учёных из Университета Гёте во Франкфурте, European XFEL в Шенефельде и Немецкого синхротронного центра DESY в Гамбурге применила инновационную методику, позволившую не только раскрыть детали этого сверхбыстрого процесса, но и «замедлить» его с помощью рентгеновского излучения. Результаты открывают новые возможности для анализа сложных молекул в биохимии и медицине.

«Мы исследовали молекулу 2-тиоурацила, относящуюся к группе фармацевтически активных веществ на основе “строительных блоков” ДНК — нуклеиновых оснований», — пояснил Маркус Гюр, ведущий автор исследования, руководитель группы на установке FLASH в DESY и профессор химии Гамбургского университета. По его словам, ключевая особенность 2-тиоурацила и его производных — наличие атома серы, который придаёт этим соединениям необычные медицинские свойства. «Другая важная характеристика — способность молекул становиться опасными при УФ-облучении, приобретая высокую реакционную активность. Это, как показывают исследования, может повышать риск развития рака кожи», — добавил Гюр.

Чтобы детально изучить процесс, команда модернизировала метод кулоновского взрыва, объединив его с возможностями самого мощного в мире рентгеновского лазера European XFEL. «Суть метода в облучении молекулы интенсивными рентгеновскими импульсами, которые выбивают электроны, — объяснил Тилль Янке, профессор экспериментальной атомной и молекулярной физики Университета Гёте и первый автор работы. — Молекула приобретает положительный заряд, теряет стабильность и распадается на атомы за доли секунды. Анализируя траектории разлёта фрагментов, мы можем восстановить её исходную структуру».

До сих пор кулоновский взрыв применялся только для простых молекул. Однако установка, разработанная в Университете Гёте, и инструмент SQS (Small Quantum Systems) на European XFEL позволили впервые использовать метод для биомедицински значимых соединений.

Этот эксперимент стал техническим прорывом, расширившим возможности SQS. Теперь мы можем изучать не только фундаментальные физические процессы, но и реальные молекулы, влияющие на здоровье человека

отметил Майкл Майер, руководитель инструмента SQS.

Учёные направили молекулы 2-тиоурацила в рентгеновский луч через газовую форсунку, обеспечив изолированное облучение отдельных молекул. Предварительный УФ-импульс запускал структурные изменения, а варьирование задержки между импульсами позволило создать «замедленную съёмку» процессов длительностью 100–1000 фемтосекунд (менее миллионной доли миллионной доли секунды). Точная регистрация положений атомов на детекторе выявила два ключевых результата.

Во-первых, УФ-излучение вызывает изгиб плоской молекулы 2-тиоурацила, выталкивая атом серы. Это состояние сохраняется достаточно долго, делая молекулу реакционноспособной и потенциально канцерогенной. «Обычные нуклеиновые основания, лишённые серы, преобразуют энергию УФ в тепло через возбуждённые состояния, — пояснил Гюр. — Но в 2-тиоурациле сера блокирует такой механизм, что и объясняет его опасную реактивность».

Во-вторых, эксперимент показал, что для реконструкции структурных изменений достаточно отслеживать лишь часть атомов. «Нам не потребовалось фиксировать все шесть атомов углерода — хватило данных по сере, кислороду и четырём ядрам водорода», — подчеркнул Янке. Это упростит анализ более сложных молекул в будущем.

Новый подход демонстрирует огромный потенциал для исследований в области фотохимии, фармакологии и молекулярной биологии, предлагая инструмент для изучения ультрабыстрых процессов на атомном уровне.