Nat. Commun. | 超快激光瞬态吸收光谱揭示DNA分子的紫外光保护机制

来自意大利和德国的一个研究团队使用超快激光脉冲揭示了一个存在已久的生物问题，即DNA是如何保护自身免受太阳紫外线辐射伤害的。此项工作研究了皮秒到飞秒时间尺度上生物分子的光保护机制，其研究结果在纳米技术和药理学方面具有重要意义。本研究目前已发表于Nature Communications (doi: 10.1038/s41467-021-27535-7）。

来自紫外光子的高能量能够扰乱遗传信息，并导致皮肤癌等疾病。作为携带生物体遗传信息的重要分子，DNA 和 RNA 需要保护自身免受持续不断的太阳紫外线的影响。由于生物分子具有强大的光保护机制，其可以在短短数百飞秒的时间尺度上消散来自紫外线的多余电子能量，以保持基因编码系统免受光损伤。这种超快过程发生在核苷中，核苷是形成较大 DNA 和 RNA 大分子骨架的成分之一。但是，由于这个过程的时间非常短，是一个很难研究的问题，因此科学家们对于它们的光保护机制的细节存在相当大的分歧。

为了解决这个问题，研究人员使用超快瞬态吸收 (TA) 光谱法以低于 30 fs的帧速率拍摄了一系列光保护过程的照片。TA 光谱的原理是，一个泵浦脉冲作用到目标分子上导致其跃迁共振，随后一个宽带探测脉冲再次照射到分子上，再将探测脉冲的吸收作为泵浦-探测延迟时间的函数绘制在光谱上。这样，能够跟踪核苷的光激发和随后的弛豫过程，并探索该过程的详细动态。

实验装置图。

实验中，研究人员搭建了一套能够在 UV 范围内以低于 30-fs 的时间分辨率进行 TA 光谱实验的装置。光源是波长800 nm、重复频率1 kH的Ti:sapphire 激光器，其能够产生脉宽的 100-fs 脉冲串。然后，脉冲被一系列啁啾反射镜压缩到亚 10-fs 的持续时间，并通过非线性晶体连续倍频，从而产生紫外线泵浦脉冲。宽带探测脉冲来自白光超连续。

实验样本是溶解在磷酸盐缓冲水溶液中的两种核苷分子样本——尿苷和 5-甲基尿苷。实验研究了它们的光谱特征。通过将这些特征与不同模型的数值模拟进行比较，研究人员能够深入了解核苷的能量耗散以及超短时间尺度的光保护机制细节。

特别地，实验数据能体现核苷量子化学的信息。例如，人们普遍认为，光保护机制核心的超快能量转换发生在势能曲线的相交点，因为可以发生快速光化学反应。但是光激发的核苷向最佳能级移动的衰变机制尚不清楚。

因此，该团队利用实验数据结合理论模拟，研究了核苷的能量状态向锥形交叉点移动时相干波包的振动特征。例如，该团队发现尿苷通过一步跃迁衰减到基态，时间尺度约为 100 fs。相比之下，5-甲基尿苷沿着多步路径衰减，衰减时间大约 1 ps。研究人员以分子中重甲基的存在解释了这种相对缓慢的衰变。

实验得到的5-甲基尿苷的光保护比尿苷慢十倍的事实可能解释了为什么含有胸苷的 DNA 链（类似于甲基尿苷的核苷），更容易受到紫外线光损伤。

了解核苷在超短的时间尺度内与光相互作用的过程是理解 DNA 光损伤的复杂物理过程的基础，而超快激光科学能够以超高的时间分辨率研究这一过程，这些研究对纳米技术和药理学的应用是具有重要价值的。