研究發現離子輻照氫鍵團簇誘發的質子轉移新碎裂衰變通道

重離子輻照能夠造成機體組織輻射損傷，也是殺死癌變細胞治療癌症的一種有效手段。但離子與機體組織相互作用在分子尺度的微觀機理目前尚不清楚。α粒子輻射的生物學危害已被充分認識，但生物分子損傷機制仍遠未被理解。生物分子中不可修復損傷一個重要的來源是α粒子撞擊誘發分子的電離及隨後電子和核的弛豫過程。

近期，中國科學院近代物理研究所研究員馬新文課題組與西安交通大學、德國馬普核物理所和海德堡大學合作，選取氫鍵結合的乙炔二聚體(C2H2)2作為模型體系，利用重離子加速器提供的He2+離子輻照乙炔二聚體 (C2H2)2誘發的碎裂過程，基於反應顯微成像譜儀技術，發現了一種全新的分子間庫侖衰變過程，即雙荷電團簇中兩個分子間的質子轉移誘發的庫侖爆炸機制：C2H++ C2H3+。這與常規的直接交換能量（ICD過程）或轉移電子（RCT過程）導致的庫侖爆炸衰變通道C2H2++ C2H2+完全不同（如圖1所示），質子轉移發生在相距4.4埃遙遠距離的兩個乙炔分子之間。由兩個原子或分子構成的團簇為研究這些微觀機制提供了簡單而有效的模型體系，進一步的理論分析表明此類衰變廣泛存在於由氫鍵結合的團簇體系中，並且預言質子轉移過程在DNA雙鏈中的AT鹼基對間發生時，將造成DNA雙鏈同時斷裂，從而導致細胞的死亡。圖2展示了DNA中質子轉移導致的DNA雙鏈同時斷裂過程。

該研究成果在線發表在國際化學期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition），該工作得到國家重點研發項目和國家基金委項目的資助。

圖1：實驗觀測到的離子轟擊乙炔二聚體(C2H2)2誘發的衰變通道。右上通過能量傳遞(ICD)衰變，C2H2++ C2H2+通道；左下通過質子轉移衰變，C2H++ C2H3+通道。

圖2：(a) ICD及質子轉移過程導致DNA雙鏈斷裂示意圖。(b)當AT鹼基對中的胸腺嘧啶(Thymine)被單電離同時伴隨激發時通過向腺嘌呤(Adenine)傳遞能量(ICD)的方式衰變；(c)雙電離de 胸腺嘧啶通過向腺嘌呤轉移質子而導致的碎裂。

來源：中國科學院近代物理研究所

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