Istantanea ai raggi X: come la luce piega un principio attivo
Una tecnica di imaging consolidata da decenni applicata per la prima volta a molecole complesse
Con l'aiuto del laser a raggi X più potente del mondo, l'European XFEL, un gruppo di ricerca guidato dalla Goethe University e dal centro di ricerca DESY ha raggiunto un importante traguardo: utilizzando l'esempio del principio attivo 2-tiouracile, il team di ricerca ha applicato per la prima volta una tecnica di imaging consolidata da decenni a molecole complesse. Sebbene il 2-tiouracile non sia più utilizzato a livello terapeutico, appartiene a un gruppo di sostanze attive chimicamente simili che oggi vengono utilizzate come immunosoppressori o citostatici. Lo studio mostra come i raggi UV deformino il 2-tiouracile, rendendolo pericolosamente reattivo.
Il microscopio di reazione COLTRIMS sullo strumento SQS. È stato utilizzato per analizzare i cambiamenti strutturali della molecola di 2-tiouracile all'XFEL europeo.
European XFEL
Molte molecole biologicamente importanti cambiano forma quando sono stimolate dai raggi UV, ad esempio. Questo fenomeno riguarda anche alcuni farmaci e finora non è stato ben compreso. Grazie a una tecnica innovativa, un team internazionale che coinvolge la Goethe University di Francoforte, l'European XFEL di Schenefeld e il sincrotrone elettronico tedesco DESY di Amburgo ha scomposto questo processo fulmineo e lo ha visualizzato al rallentatore, per così dire, con l'aiuto della luce a raggi X. Questo metodo apre interessanti possibilità di indagine per molte altre molecole.
"Abbiamo studiato la molecola 2-tiouracile, che appartiene a un gruppo di sostanze attive basate su alcuni elementi costitutivi del DNA, le nucleobasi", spiega l'ultimo autore dello studio Markus Gühr, direttore scientifico del laser a elettroni liberi FLASH presso il DESY e professore di chimica all'Università di Amburgo. Come le sostanze attive chimicamente affini, il 2-tiouracile ha un atomo di zolfo. Questo conferisce alla molecola le sue proprietà insolite e rilevanti dal punto di vista medico. "Ma c'è un'altra caratteristica speciale, perché queste molecole diventano pericolosamente reattive quando vengono esposte ai raggi UV". Gli studi hanno dimostrato un aumento del rischio di cancro alla pelle a causa di questo effetto.
Per comprendere meglio ciò che accade durante questi processi, il team di ricerca ha utilizzato un vecchio metodo e lo ha portato a un nuovo livello grazie alle possibilità tecniche disponibili oggi. "L'imaging dell'esplosione di Coulomb comporta l'irradiazione di una molecola con intensi impulsi di raggi X, che eliminano gli elettroni", spiega Till Jahnke, professore di fisica atomica e molecolare sperimentale alla Goethe University e autore principale dello studio. "Questo rende la molecola estremamente carica positivamente e instabile, tanto che viene fatta a pezzi in poche frazioni di secondo". Tracciando la direzione in cui i vari frammenti della molecola - cioè gli atomi - volano via, si possono dedurre informazioni sulla struttura della molecola.
Finora l'imaging dell'esplosione di Coulomb aveva fornito risultati utili solo per molecole molto semplici. Il team di ricerca ha ora combinato questa tecnica presso la stazione sperimentale SQS ("Small Quantum Systems") del laser a raggi X più potente del mondo, l'European XFEL, con un setup sperimentale appositamente sviluppato alla Goethe University. "Questo esperimento rappresenta un'innovazione tecnica sotto molti aspetti e un'importante espansione delle possibilità sperimentali dello strumento SQS. Per la prima volta, queste tecniche di imaging possono essere utilizzate su una molecola rilevante dal punto di vista biologico e medico, e non solo per la ricerca fisica di base", afferma Michael Meyer, responsabile della Stazione sperimentale SQS, soddisfatto del successo dell'esperimento.
Grazie ai potentissimi impulsi di raggi X dell'XFEL europeo, è stato possibile "sbriciolare" anche questa molecola più grande e analizzarne la struttura. I ricercatori hanno inviato le molecole nel fascio del laser a raggi X utilizzando un sottile ugello di gas, in modo da irradiare solo singole molecole alla volta. Un ulteriore impulso UV, emesso poco prima dell'impulso a raggi X, è stato utilizzato per eccitare le molecole.
"Variando l'intervallo di tempo tra i due impulsi, è possibile ottenere qualcosa di simile a un film al rallentatore di questi processi, che si svolgono con estrema rapidità nell'arco di 100-1000 femtosecondi, cioè in meno di un milionesimo di milionesimo di secondo", spiega Jahnke. Un sofisticato rivelatore ha infine registrato i punti di impatto dei vari atomi di 2-tiouracile.
L'esperimento ha rivelato due importanti risultati. La prima riguarda il 2-tiouracile: quando viene eccitato dai raggi UV, questa molecola altrimenti piatta si piega in modo da far sporgere l'atomo di zolfo. Questo stato è stabile per lungo tempo. Ciò fa sì che la molecola diventi molto reattiva e possa causare, tra l'altro, il cancro alla pelle. "Questa è anche una differenza significativa rispetto alle normali nucleobasi, che sono strutturalmente molto simili ma non hanno un atomo di zolfo", spiega Gühr. "Queste hanno un meccanismo per gestire le radiazioni UV e convertirle in calore innocuo attraverso vari stati di eccitazione e oscillazione". Nel caso del 2-tiouracile, l'atomo di zolfo impedisce tale conversione.
"La seconda realizzazione è legata alla tecnica sperimentale stessa", dice Jahnke. "Come abbiamo visto, non è necessario rilevare tutti gli atomi nel rivelatore per ricostruire la molecola e il suo cambiamento. In questo caso, è stato sufficiente misurare gli atomi di zolfo e ossigeno e i quattro nuclei di idrogeno; i sei atomi di carbonio non sono necessari". Questo semplificherà notevolmente le misurazioni per ulteriori indagini su molecole ancora più complesse e dimostra l'enorme potenziale di questo metodo innovativo.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Till Jahnke, Sebastian Mai, Surjendu Bhattacharyya, Keyu Chen, Rebecca Boll, Maria Elena Castellani, Simon Dold, Ulrike Frühling, Alice E. Green, Markus Ilchen, ... Anbu Selvam Venkatachalam, Artem Rudenko, Daniel Rolles, Michael Meyer, Heide Ibrahim, Markus Gühr; "Direct observation of ultrafast symmetry reduction during internal conversion of 2-thiouracil using Coulomb explosion imaging"; Nature Communications, Volume 16, 2025-2-28
Altre notizie dal dipartimento scienza
