Elektronenwechselwirkung mit nanometergroßen Biomolekülen

Die Auswirkungen der Bestrahlung von biologischem Gewebe sind sehr umfassend und beinhalten Prozesse von verschiedenster Natur, die in unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen. Während zum Beispiel physikalische Prozesse wie die Wechselwirkung der Primärstrahlung mit Zellgewebe in <10-16 sec stattfinden, dauern Prozesse auf der biologischen Stufe bis zu Monate oder länger (beispielsweise das Wachstum von Tumoren). Die Primärstrahlung setzt durch die Wechselwirkung mit Zellkomponenten große Mengen von sekundären Teichen frei (Elektronen, Ionen und neutrale Radikale). Dabei spielen Sekundärelektronen mit einer maximalen kinetischen Energie von ca. einigen 10 eV aufgrund ihrer Häufigkeit eine sehr wichtige Rolle. Sekundärelektronen verlieren in einer Serie von inleastischen Streuprozessen ihre kinetische Energie bevor sie thermalisieren und mit im Zellgewebe vorhandenem Wasser einen gebundenen Zustand eingehen. In diesem Projekt werden wir den schädigenden Effekt von Elektronen mit kinetischen Energien von bis zu 50 eV in der Wechselwirkung mit komplexen DNA Bausteinen wie Nukleosiden und Nukleotiden, die von Wassermolekülen umgeben sind, untersuchen. Allgemein wird die Elektronenionisation als "harte" Ionisierungsmethode bezeichnet, da bei der Ionisierung eines isolierten Moleküls in der Gasphase häufig eine starke Fragmentierung auftritt. Unser Ziel ist herauszufinden, ob durch die Hydratisierung eine durch Elektronenstoß induzierte Fragmentierung von DNA Bausteinen durch eine rasche Energieabgabe an Wassermoleküle abgeschwächt werden kann. Dabei stellt sich die Frage welcher Grad der Hydratisierung für diesen Effekt benötigt wird. Durch eine Massentrennung der mittels Elektrospray erzeugten hydratisierten Biomolekülionen vor dem Elektronenstoß kann dieser hier bestimmt werden. Im zweiten Teil des Projektes verwenden wir Elektronen mit kinetischen Energien unterhalb der Ionisierungsschwelle, d.h. Elektronen können sich an Moleküle anlagern und temporäre negative Ionen bilden. Diese Anionen können durch Emission des Überschusselektrons wieder zerfallen; das Molekül kann aber auch dissoziieren. In einem früheren Experiment wurde eine schwerwiegende Schädigung eines Plasmid-DNA Films in Form von DNA-Strangbrüchen bei Bestrahlung mit niederenergetischen Elektronen festgestellt. Der Schädigungsprozess auf der molekularen Ebene ist bis heute noch nicht vollständig geklärt, wobei es aber einige theoretische Vorhersagen gibt, die experimentell zu verifizieren sind. Hier werden wir Elektronenanlagerung an Nukleotide als Funktion der kinetischen Energie der Elektronen untersuchen und die gebildeten Anionen detektieren. Durch eine Massenselektion mit einem doppelfokussierenden Massenspektrometer lässt sich dabei feststellen, mit welcher Effizienz die Bindung zwischen der Zucker- und Phosphateinheit im Nukleotid gebrochen wird, was dem Bruch eines DNA-Strangs gleichzusetzen ist.

Die Strahlenschädigung von biologischem Gewebe durch ionisierende Strahlung basiert auf Prozessen von verschiedenster Natur. Diese Prozesse laufen auf stark unterschiedlichen Zeitskalen ab. Während zum Beispiel auf der sogenannten physikalischen Ebene die Wechselwirkung der Primärstrahlung mit Zellgewebe in <10-16 s stattfindet, dauern Prozesse auf der biologischen Stufe bis zu Monate oder länger (beispielsweise der Wachstum von Tumoren). Die Primärstrahlung setzt durch die Wechselwirkung mit Zellkomponenten große Mengen von sekundären Teichen frei (Elektronen, Ionen und neutrale Radikale). Dabei spielen Sekundärelektronen mit einer maximalen kinetischen Energie von ca. einigen 10 Elektronenvolt aufgrund ihrer Häufigkeit eine sehr wichtige Rolle. Im diesem abgeschlossenen Projekt haben wir die Wechselwirkung zwischen Elektronen mit solchen kinetischen Energien und Biomolekülen untersucht.Dabei wurden im Laufe des Projektes im Wesentlichen zwei Gruppen von zellrelevanten Biomolekülen in der Gasphase untersucht, (i) Bausteine der DNA und (ii) Bausteine der Proteine. Dabei stellte sich heraus, daß mit der schrittweisen Erhöhung der Komplexität der Moleküle wertvolle Erkenntnisse hinsichtlich der Stabilität von Biomolekülen gegenüber niederenergetischen Elektronen gewonnen werden können. Dies wurde zum Beispiel im Fall von Aminosäuren ersichtlich, wo neben einzelnen Aminosäuren auch das Dipeptid Di-Alanin (zwei kondensierte Alaninmoleküle) und das Tripeptid Tri-alanin (drei kondensierte Alaninmoleküle) untersucht wurden. Dabei stellte sich heraus, daß die Messergebnisse bei den kondensierten Systemen durch die für die Einzelbausteine gewonnenen Erkenntnisse richtig interpretiert werden konnten. Generell konnten wir in diesem Projekt zeigen, daß der selektive Bruch von molekularen Bindungen durch niederenergetische Elektronen auch bei den komplexeren Systemen aufrecht erhalten bleibt, was für die Strahlenschädigung auf molekularer Ebene durch sekundäre Elektronen ein entscheidender Faktor ist. Andererseits wurden bei Nukleobasen auch Reaktionswege gefunden, die zwar hinsichtlich der Molekülphysik höchst bemerkenswert sind, aber aufgrund der beobachteten langen Reaktionsdauer keine effizienten Reaktionen bei der Strahlenschädigung darstellen. Zusammengefasst hat das Projekt ganz wesentlich zum Verständnis des Zerfalls von biomolekularen Ionen, die durch Elektronenwechselwirkung erzeugt wurden, beigetragen und der wichtige Schritt von isolierten Bausteinen zu kondensierten komplexeren Systemen konnte vollzogen werden.