Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez naukowca DESY Tima Laarmanna był w stanie po raz pierwszy monitorować mechanistycznie wyewoluowany rozkład ładunku elektronowego w cząsteczkach glicyny za pomocą bezpośredniego pomiaru w czasie rzeczywistym. Wyniki – uzyskane w znakomitym laserze na swobodnych elektronach FLASH firmy DESY – zostały opublikowane w czasopiśmie naukowym postęp naukowy. Lepsza wiedza na temat wpływu kwantowego na ruch elektronów na poziomie molekularnym może utorować drogę do kontroli, optymalizacji i inżynierii promieniowania jonizującego do zastosowania na przykład w radioterapii w leczeniu raka.
„Aminokwas glicyna jest obfitym budulcem białek i odgrywa rolę w miejscach rozpoznawania błony komórkowej i enzymach” – mówi Larman. Ze względu na swoją zwartą naturę i skłonność do tworzenia wiązań wodorowych ułatwia fałdowanie białek w oddziaływaniach biomolekularnych. Sam w sobie jest stosowany jako neuroprzekaźnik hamujący w ośrodkowym układzie nerwowym. Glicyna została również znaleziona w kosmosie, a zatem jest pierwszą sygnaturą życia poza Ziemią Interakcja molekularna w ekstremalnych środowiskach astronomicznych jest ważnym aspektem, a w szczególności to, jak izolowane cząsteczki oddziałują z promieniowaniem jonizującym, jest fundamentalną kwestią w astrochemii.
Kiedy promieniowanie energetyczne uderza w cząsteczkę glicyny, jeden z jej elektronów jest często wyrzucany z cząsteczki. W powstałym jonie glicyny ładunek elektroniczny zaczyna się redystrybuować, powodując zależne od czasu oscylacje gęstości ładunku. Aby zjonizować glicynę, zespół użył bardzo krótkich impulsów FLASH, z których każdy trwa mniej niż pięć femtosekund, czyli 5 milionowych sekundy. „Korzystając z tych błysków i stosując złożone algorytmy przetwarzania danych, możemy chirurgicznie usunąć jeden z 40 elektronów glicyny z określonego orbitalu” – powiedział pierwszy autor David Schweikert z DESY, który obronił doktorat na temat tego projektu.
Następnie naukowiec wykorzystał lampę błyskową jako kamerę błyskową, aby zarejestrować ruch ładunku elektronicznego. „Po raz pierwszy możemy dokonywać bezpośrednich pomiarów dynamiki elektronów w czasie rzeczywistym w tej złożonej cząsteczce aminokwasu po jonizacji” – wyjaśnia Larman. Obserwacje zaowocowały filmem pokazującym 175 femtosekund oscylującego ładunku elektronicznego i jego wpływu na ruch jądrowy. Podczas gdy początkowe wybicie elektronu wytwarza ładunek dodatni w konkretnym atomie w cząsteczce, kolejne oscylacje ładunku wytwarzają pole siłowe, które również wprawia jądra w ruch.
W mechanice kwantowej wychodzący elektron pozostawia jon molekularny w tak zwanej spójnej superpozycji stanów własnych. Ta kohezja wpływa na sposób, w jaki cząsteczka reaguje chemicznie. Zrozumienie tego zachowania ilościowego może otworzyć drogę do tego, by biomolekuły działały w pożądany sposób. „Podstawowym wymogiem jakiejkolwiek kontroli dynamiki elektronowej i jądrowej w kierunku określonych szlaków interakcji molekularnych jest szczegółowa analiza właściwości strukturalnych, gdy cząsteczka jest wytrącona z równowagi, a w tym przypadku w szczególności analiza i kontrola zależnej od czasu struktury elektronowej która określa energię potencjalną”, wyjaśnia współautor Marco Roberti z Imperial College London, który przeprowadził wieloelektronowe symulacje glicyny z kolegą z Uniwersytetu Karola w Pradze. „Zgodnie z naszymi symulacjami, eksperymenty z glicyną FLASH zapewniają bezpośrednie wsparcie dla istnienie długowiecznej spójności elektronów w fotobiomolekułach”.
Naukowcy z DESY, Imperial College London, Charles University Praha, University of Hamburg, University of Kassel, Helmut Schmidt University w Hamburgu, Helmholtz Institute Jena, Helmholtz Center for Heavy Ion Research (GSI) w Darmstadt oraz Friedrich-Schiller-Universität Jena, oraz Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie.
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
