Studija pokazuje da DNK štiti svoje informacije od UV zračenja putem gustog skupa ultrabrzih i konkurentnih molekularnih puteva, a ne samo jednog mehanizma. Guanin i citozin u tetramerima brzo formiraju stanja prenosa naboja i relaksuju se kroz više ruta u roku od desetina femtosekundi. Dominantan kanal je jednokratni prenos protona, ali različite kombinacije elektronskih i protonskih pomeranja kolektivno povećavaju fotostabilnost.
Otkrivena skrivena mreža odbrane DNK protiv UV zračenja
Simulations reveal how DNA rapidly drains harmful UV energy through multiple ultrafast pathways before damage can take hold. (CREDIT: Shutterstock)
DNK je stalno izložena sunčevom UV zračenju koje može izazvati hemijske promene povezane sa mutacijama, starenjem i rakom. Ipak, većina vremena molekul uspešno razlaže štetnu energiju pre nego što nastane trajno oštećenje.
Ultrabrtza mreža reakcija
Nove simulacije pokazuju da otpornost DNK ne zavisi samo od jednog "bekstva" mehanizma, već od gustog, ultrabrzog skupa konkurentnih molekularnih reakcija koje brzo razose UV energiju. Istraživanje je bilo fokusirano na guanin i citozin—dve od četiri baze DNK—smeštene u kratke, poravnate tetramere koji imitaju ključne osobine duple spirale.
Graphical abstract. DNA’s extraordinary resistance to UV-induced damage─essential to the survival of genetic material since prebiotic times. (CREDIT: The Journal of Physical Chemistry Letters)
Praćenjem ponašanja na atomskoj skali, tim je ustanovio da ekscitovano stanje brzo prelazi u konfiguracije sa prenosom naboja (charge-transfer), a zatim relaksuje kroz više puteva, od kojih mnogi uključuju usko povezane pomeraje elektrona i protona.
Dr Marco Sacchi, vanredni profesor fizičke i računarske hemije na University of Surrey i glavni autor studije, rekao je da je uzbudljivo što sada možemo videti neverovatno brze procese koji bezbedno odvajaju energiju pre nego što šteta počne da se širi.
Rezultati simulacija
Tim je koristio neadiabatiku dinamiku i visokorangirane kvantnohemijske metode da analizira dve verzije guanin‑citozin tetramera (naizmenični i ne‑naizmenični). Ti mali sistemi čuvaju dve važne osobine prave DNK: vodonične veze između uparenih baza i interakcije naslaganja među susedima.
Time evolution of the adiabatic population (occupation) of (a) nonalternating and (b) alternating (GC)2 tetramers. The occupation of S3 state is represented in green, of S2 in blue, and of S1 in red, whereas the increasing population occupation of S0 is shown in black. (CREDIT: The Journal of Physical Chemistry Letters)
Simulacije su pokazale da, ubrzo nakon fotoeksitacije, sistemi brzo usmeravaju populacije u stanje prenosa naboja, u kojem se elektronski naboj pomera s guanina na citozin. Populacije iz viših ekscitovanih stanja padaju u najniže ekscitovano stanje za manje od 50 femtosekundi.
Od tog nivoa, prelaz nazad u osnovno stanje odvijao se veoma brzo: u proseku ~64 femtosekunde za ne‑naizmenični tetramer i ~141 femtosekundu za naizmenični tetramer. Te ultrakratke vremenske skale znače da disipacija energije nastupa dugo pre nego što bi uobičajena biološka šteta imala vremena da se proširi.
Scheme of main proton transfers, represented by solid arrows, and corresponding electron transfers, represented by dashed arrows, for nonalternating (a, b, and c) and alternating (d, e, and f) (GC)2 tetramers. (CREDIT: The Journal of Physical Chemistry Letters)
Više puteva, više zaštite
Jedan od centralnih nalaza je značajan udeo protonskog prenosa između guanina i citozina. Dominantan mehanizam bio je jednokratni prenos protona duž centralne vodonične veze, s guanina na citozin, što je činilo ~82% slučajeva u naizmeničnom i ~70% u ne‑naizmeničnom tetrameru.
Drugi značajan put uključivao je prenos sa amino‑grupe guanina na kiseonični atom citozina (pojavljivao se u ~24% slučajeva u ne‑naizmeničnom i ~16% u naizmeničnom tetrameru). Ređi su bili transferi u obrnutom smeru (sa citozina na guanin).
Diagram of possible excitations in the (GC)2 tetramers. (CREDIT: The Journal of Physical Chemistry Letters)
Zanimljivo je da prenos protona i prenos elektrona nisu uvek striktno povezani: ponekad je elektron krenuo ka istoj bazi koja učestvuje u protonskom transferu, dok je u drugim slučajevima elektron migrirao ka drugom citozinu ili duž iste pruge. To ukazuje na fleksibilan, dinamičan sklop putanja umesto jednokorakog procesa.
Juliana Gonçalves de Abrantes, vodeća autorka i postdoktorka na University of Surrey, istakla je raznolikost puteva relaksacije i to da su kretanja elektrona i protona snažno povezana, ali ne i strogo vezana — što stvara bogatu mrežu ruta koje zajedno povećavaju fotostabilnost DNK.
Ograničenja i dalje perspektive
Autori upozoravaju da je mehanistička slika izvedena iz modela tetramera u gasnoj fazi i korišćenjem određenog TD‑DFT okvira. Ravnoteža između lokalnih ekscitacija i stanja prenosa naboja može zavisiti od izabrane računarske metode i početne geometrije.
Dalji rad koji uključuje rastvoračke efekte (QM/MM pristupi) mogao bi promeniti relativnu važnost pojedinih puteva i pomoći da se bolje procene ređi ishodi, poput formiranja ciklobutan pirimidin dimerâ (CPD) koji su relevantni za oštećenja DNK.
Uprkos ograničenjima, studija nudi objedinjenu, realnovremenu sliku kako spojeni pomaci naboja i protona doprinose otpornosti DNK na UV: umesto jednog "trika", molekul koristi repertoar ultrabrzih, konkurentnih puteva.
Rad je objavljen u The Journal of Physical Chemistry Letters i baca novo svetlo na to kako DNK opstaje pod jednim od najstarijih ekoloških pritisaka — sunčevim UV zračenjem. Rezultati su relevantni za biologiju raka, istraživanja starenja, biologiju zračenja, biotehnologiju i astrobiologiju.
Pomozite nam da budemo bolji.
