​Исследователям из Иркутского института химии им. А. Е. Фаворского СО РАН и Иркутского государственного университета совместно с коллегами из Германии впервые удалось показать, как развивается радиационное повреждение биологической материи, одновременно экспериментальными и теоретическими методами. Результаты работы опубликованы в Nature Physics

Воздействие высокоэнергетического излучения (рентгена, ультрафиолета, свободных электронов и других) приводит к образованию в атомах и молекулах неких «дырок» — так называемых внутренних вакансий. Из-за того, что из внутренних электронных оболочек выбиваются электроны, в системе возникают высокоэнергетические состояния. В таких состояниях «запасено» много энергии, поэтому сразу после их возникновения начинаются сложные релаксационные процессы. В живой материи они могут привести к повреждениям биологических систем (самая актуальная здесь проблема — повреждение ДНК). Сегодня исследователи всего мира пытаются понять, почему происходят такие повреждения и как их избежать.
 
Релаксация — процесс установления термодинамического и статистического равновесия в физической системе, состоящей из большого числа частиц.
 
Здесь существенным является следующее: биологические молекулы — не изолированные, они находятся в какой-то среде (чаще всего в водной), в которой при образовании высоковозбужденного состояния появляется масса возможностей для распада, эволюции и релаксации, причем именно с учетом молекул окружения.
 
«Если в атоме чаще всего имеют место так называемые процессы Оже-распада, то в молекулах, которые находятся в окружении и вовлечены в различные слабосвязанные комплексы, появляется огромное количество дополнительных каналов распада. В частности, если в одном из атомов возникает глубоколежащая вакансия (то есть “дырка” во внутренних электронных оболочках), то дальше, при релаксации и высвобождении энергии, часть электронов начинают “падать” в эту “дырку”. Таким образом высвобождается энергия, которая может привести к ионизации последующих электронов, в том числе и на слабосвязанных фрагментах», — рассказывает ведущий научный сотрудник ИрИХ СО РАН доктор химических наук Александр Борисович Трофимов. 
 
Эффект Оже — явление, в ходе которого происходит заполнение электроном вакансии, образованной на одной из внутренних электронных оболочек атома.

 
Например, если на какой-то биомолекуле образовалась вакансия, то может произойти выброс электрона на молекуле окружающей воды. То есть идет перераспределение энергии через водородные связи, которыми эти фрагменты связаны друг с другом, что приводит к выбросу электрона с соседнего фрагмента. Или наоборот — если ионизируется вода, то может произойти выброс электрона на биомолекуле. В конечном счете, получаются два фрагмента, на каждом из которых находится «дырка», то есть положительный заряд в электронных оболочках. Так как положительные заряды отталкиваются, это приводит к неминуемому распаду фрагментов. В результате получаются две активные частицы — катион-радикалы, которые в свою очередь могут вступать в химические реакции и вызывать какие-то дальнейшие процессы, в том числе повреждения. Понять элементарные стадии этих процессов очень важно для ученых.
 
«В этом году нам совместно с коллегами из Института Макса Планка, Гейдельбергского университета (Германия) и Иркутского государственного университета впервые удалось продемонстрировать один из процессов, которые могут происходить при высокоэнергетическом возбуждении биомолекулы в окружении, одновременно экспериментальными и теоретическими методами (до этого таких попыток не предпринималось). Инициатива нашего участия в исследованиях в рамках данной тематики принадлежит старшему научному сотруднику ИГУ кандидату химических наук Анне Дмитриевне Скитневской», — говорит Александр Трофимов.
 
В качестве модели был выбран тетрагидрофуран — простая химическая молекула, которая часто используется как модель остатка сахара в молекуле ДНК, содержащегося в каждом нуклеотиде. Поскольку предполагается, что ДНК находится в водном окружении, модель включала в себя также молекулу воды. Дальше был сделан ряд сложных спектроскопических экспериментов на базе Института Макса Планка с использованием техники электронного удара; возбуждение осуществлялось с помощью пучка электронов. Это приводило к образованию вакансии — в частности, на атомах кислорода, а затем исследователи отслеживали то, что происходит впоследствии. 
 
Все эти результаты обрабатывались и интерпретировались при помощи квантово-химических расчетов, которые выполнялись в Иркутске (ИрИХ и ИГУ). При этом использовались разработанные иркутскими учеными методы алгебраического диаграммного построения для функций Грина и оригинальное программное обеспечение. Для проведения расчетов были задействованы самые мощные компьютеры.
 
«Без теоретического моделирования разобраться с тем, что происходит, в принципе невозможно, — рассказывает Александр Трофимов. — Наши предположения подтвердились. Впервые было показано, что в результате высокоэнергетического возбуждения может происходить ионизация молекулы воды с глубоко лежащих уровней и дальше в процессе релаксации — выброс электрона с молекулы тетрагидрофурана. Это приводит к образованию двух заряженных частиц, которые расталкиваются и разваливаются на части. Был сделан очень важный шаг вперед. Полученные результаты позволяют улучшить наше понимание радиационного повреждения биологической материи. Кроме того, работа закладывает основу для дальнейшего исследования механизмов релаксации высоковозбужденных состояний гидратированных биомолекул, изучения путей переноса энергии в них, а также разработки эффективных способов их защиты».
 
Диана Хомякова
 

Источники

Сибирские ученые улучшили понимание радиационного повреждения биомолекул
Наука в Сибири (sbras.info), 06/12/2018
Ученые из РФ и Германии впервые показали механизм радиационного повреждения биоматерии
ТАСС, 06/12/2018
Ученые из РФ и Германии впервые показали механизм радиационного повреждения биоматерии
Новости@Rambler.ru, 06/12/2018
Ученые из РФ и Германии впервые показали механизм радиационного повреждения биоматерии
Спутник Новости (news.sputnik.ru), 06/12/2018
Ученые из РФ и Германии впервые показали механизм радиационного повреждения биоматерии
Novosibirsk.4geo.ru, 06/12/2018
Что несет радиация?
Аккредитация в образовании (akvobr.ru), 10/12/2018
Статью иркутских ученых о воздействии радиации опубликовали в престижном научном журнале
Irkutsk.News, 10/12/2018
Статью иркутских ученых о воздействии радиации опубликовали в престижном научном журнале
ИА Телеинформ (i38.ru), 10/12/2018
Ученые изучили повреждения биологической материи под воздействием радиации
ИА Regnum, 10/12/2018
Ученые показали развитие биологической материи при радиации
Новое время (novoye-vremya.com), 10/12/2018
Ученые показали развитие биологической материи при радиации
Версия Инфо (versiya.info), 10/12/2018
Ученые ИГУ с коллегами из Германии разрабатывают способы защиты живых систем от радиации
ИА Байкал Инфо (baikal-info.ru), 11/12/2018
Иркутские ученые совместно с германскими коллегами продвинулись в понимании воздействия радиации
Irkutsk.News, 11/12/2018
Иркутские ученые совместно с германскими коллегами продвинулись в понимании воздействия радиации
ИА Байкал 24, 11/12/2018
Ученые ИГУ совместно с коллегами из Германии исследовали воздействие радиации на ДНК
Irkutsk.News, 13/12/2018
Ученые ИГУ совместно с коллегами из Германии исследовали воздействие радиации на ДНК
IrkutskMedia.ru, 13/12/2018

Похожие новости

  • 22/10/2018

    Иркутские ученые развивают тонкий органический синтез

    ​В Иркутском институте химии им. А. Е. Фаворского  СО РАН занимаются созданием новых соединений и реакций, позволяющих получать молекулы с заданными свойствами, которые можно направленно использовать для нужд человечества.
    149
  • 07/07/2016

    Выпускник ИРНИТУ разрабатывает технологию производства ингибиторов для полимерной промышленности

    Выпускник ИРНИТУ этого года Евгений Мальцев под руководством старшего научного сотрудника Иркутского института химии имени Фаворского СО РАН Алексея Гоготова разрабатывает технологию производства ингибиторов термополимеризации для создания мономеров, которая может быть использована на установках, производящих товарные этилен и пропилен.
    1271
  • 13/07/2017

    Два миллиона рублей выделено на исследования ученых-химиков ИГУ

    Проект молодого иркутского ученого – сотрудника лаборатории катализа НИИ нефте- и углехимического синтеза ИГУ Татьяны Стеренчук поддержан грантом Российского научного фонда. Размер гранта – по одному миллиону рублей сроком на два года.
    940
  • 08/12/2016

    Новосибирские химики производят уникальные композитные материалы для сжигания топлива

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и институтов СО РАН создают керамометаллические композитные матрицы на основе порошка алюминия, его оксида и сплавов. Эти уже успешно испытанные материалы обладают уникальными характеристиками, в частности, высокой теплопроводностью, и используются для структурированных катализаторов процессов сжигания и трансформации топлив.
    1848
  • 20/12/2016

    В ИК СО РАН разработали способ каталитической утилизации осадков сточных вод

    ​В Институте катализа СО РАН впервые разработан метод каталитической утилизации иловых осадков коммунальных сточных вод – одного из наиболее требовательных и сложных в утилизации видов отходов – с одновременной выработкой энергии для местного теплоснабжения.
    1367
  • 18/10/2016

    Инжиниринговый центр как структурное подразделение Иркутского госуниверситета

    ​В июне 2016 года ИГУ стал одним из победителей конкурса Министерства образования и науки РФ по созданию и поддержке инжиниринговых центров на базе высших учебных заведений.  На конкурс Университет представил проект по созданию центра по переработке техногенного минерального сырья, разработанный, в том числе, с участием специалистов геологического факультета.
    1469
  • 13/01/2016

    Татьяна Толстикова: "В СО РАН есть все предпосылки, чтобы решить проблему импортозамещения лекарств"

    ​Доктор биологических наук, профессор Татьяна Генриховна Толстикова возглавляет лабораторию Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова (НИОХ) СО РАН - уникальную для России структуру.
    2436
  • 05/10/2018

    Бокоплав-кузнечик выживает в «горячей» воде за счет неверного жиросжигания

    Устойчивость к высокой температуре во многом зависит от способности обходиться без кислорода.​Ученые из Иркутского государственного университета, Белорусского государственного университета, Байкальского исследовательского центра, Красноярского научного центра СО РАН и Сибирского федерального университета узнали, как бокоплав-кузнечик Gammarus lacustris реагирует на постепенный рост температуры окружающей воды и какими биохимическими приспособлениями он пользуется, чтобы выжить.
    384
  • 23/08/2017

    Новосибирские ученые будут выявлять риск развития атеросклероза по анализу крови

    ​​Созданная в Институте химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН технология сканирующей проточной цитометрии дает возможность выявить факторы риска развития атеросклероза по анализу крови.
    680
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    525