DNA s fotofysik. Steen Brøndsted Nielsen. Institut for Fysik og Astronomi Aarhus Universitet

Relaterede dokumenter
Fotoaktive proteiner atomfysiske motoder anvendt på biologiske problemstillinger. Lars H Andersen IFA

Søren Vrønning Hoffmann Fysiklærerdag. IFA, Aarhus Universitet. Januar 2013

DNA- og RNA-byggesten: deres fotofysik i opløsning og gasfase

Lys fra silicium-nanopartikler. Fysiklærerdag 22. januar 2010 Brian Julsgaard

Deoxyribonukleinsyre

Lys på (kvante-)spring: fra paradox til præcision

Fysikken bag hverdagens materialer.

Atomare kvantegasser. Michael Budde. Institut for Fysik og Astronomi og QUANTOP: Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik

FYSIK 3 / TERMODYNAMIK Københavns Universitet, 13. april, 2016, Skriftlig prøve

PCR (Polymerase Chain Reaction): Opkopiering af DNA

Røntgenspektrum fra anode

Atomare overgange Tre eksempler på vekselvirkningen mellem lys og stof, som alle har udgangspunkt i den kvantemekaniske atommodel:

Velkommen. Test dit eget DNA med PCR. Undervisningsdag på DTU Systembiologi. Undervisere:

Nanoteknologi til udvikling af ny medicin

FYSIK I DET 21. ÅRHUNDREDE Laseren den moderne lyskilde

Velkommen. Test dit eget DNA med PCR. Undervisningsdag på DTU Systembiologi. Undervisere: Sebastian, Louise og Ana

Lærebogen i laboratoriet

Facitliste til Spektroskopi

Reaktionsmekanisme: 3Br 2 + 3H 2 O. 5Br - + BrO H + Usandsynligt at alle 12 reaktantpartikler støder sammen samtidig. ca.

Atomare elektroners kvantetilstande

Menneskets væskefaser

Laboratorieøvelse Kvantefysik

Intra- og intermolekylære bindinger.

Kan et støvkorn påvirke dannelsen af en stjerne? Liv Hornekær

De knap så sjældne jordarter

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Mandag d. 11. juni 2012 kl

Krystallografi er den eksperimentelle videnskab der anvendes til bestemmelse af atomernes positioner I faste stoffer.

Femtosekund fotodissociation af diiodethen

DNA smeltepunktsbestemmelse

6 Plasmadiagnostik 6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning

Banan DNA 1/6. Formål: Formålet med øvelsen er at give eleverne mulighed for at se DNA strenge med det blotte øje.

A KURSUS 2014 ATTENUATION AF RØNTGENSTRÅLING. Diagnostisk Radiologi : Fysik og Radiobiologi

Optik under diffraktionsgrænsen

Løsningsforslag til fysik A eksamenssæt, 23. maj 2008

Eksperimentelle øvelser, øvelse nummer 3 : Røntgenstråling målt med Ge-detektor

Hvad er en funktion? Funktioner og graftegning. Funktioners egenskaber. Funktioners egenskaber. f(b) y = f(x) f(a) f(a)

Lagerringen ASTRID. ASTRID som elektronlagerring:

at du trænes i at genkende aminosyrer i en simpel proteinstruktur (pentapeptid = lille protein bestående af 5 (penta) aminosyrer)

Statistisk mekanik 10 Side 1 af 7 Sortlegemestråling og paramagnetisme. Sortlegemestråling

2. del. Reaktionskinetik

Kvantecomputing. Maj, Klaus Mølmer

Acceleratorer i industrien

Kan man filme en kemisk reaktion?

Statistisk mekanik 10 Side 1 af 7 Sortlegemestråling og paramagnetisme. Sortlegemestråling

Acceleratorer og detektorer

Fotofalmning af farvede materialer

Undersøgelse af lyskilder

DNA origami øvelse DNA origami øvelse

1. Hvad er kræft, og hvorfor opstår sygdommen?

ET INDBLIK I BATTERIETS ATOMARE VERDEN

Anvendt BioKemi: Struktur. Anvendt BioKemi: MM3. 1) MM3- Opsummering. Forholdet mellem Gibbs fri energi og equilibrium (ligevægt) konstant K

DNA origami øvelse DNA origami øvelse

Undervisningsbeskrivelse

Øvelse i kvantemekanik Elektron- og lysdiffraktion

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Strålende eksperimenter 2 dele:

DNA-smeltetemperaturbestemmelse

Redigeret af Inge Kaufmann og Søren Rud Keiding

Løsninger til udvalgte opgaver i opgavehæftet

Gymnasieøvelse i Skanning Tunnel Mikroskopi (STM)

Tjekspørgsmål til Laseren den moderne lyskilde

Bioteknologi A. Gymnasiale uddannelser. Vejledende opgavesæt 1. Mandag den 31. maj 2010 kl timers skriftlig prøve

Elektriske målinger af ultra tynde materialer giver store metrologiske udfordringer i halvlederindustrien:

Modul 3: Sandsynlighedsregning

CELLE OG VÆVSLÆRE 1 LEKTION 1. Nima Kalbasi, DDS Anatomi og fysiologi

DNA origami øvelse DNA origami øvelse

DNA origami øvelse. Introduktion. DNA origami øvelse 3 timer 2018

A KURSUS 2014 Diagnostisk Radiologi : Fysik og Radiobiologi DANNELSE AF RØNTGENSTRÅLING

July 23, FysikA Kvantefysik.notebook

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 8b Diagnostik. Diagnostik er en accelerators øjne og ører

Strålingsintensitet I = Hvor I = intensiteten PS = effekten hvormed strålingen rammer en given flade S AS = arealet af fladen

katalysatorer f i g u r 1. Livets undfangelse på et celluært plan.

[BESØGSSERVICE INSTITUT FOR MOLEKYLÆRBIOLOGI OG GENETIK, AU]

Multipel Lineær Regression

Udarbejdet af, Michael Lund Christensen og Dennis Nielsen: Favrskov Gymnasium for Aktuel Naturvidenskab, maj 2017.

Laserkøling af lagrede ionstråler

Danmarks Tekniske Universitet

Standardmodellen og moderne fysik

Materiale 1. Materiale 2. FIberIntro

LYS I FOTONISKE KRYSTALLER 2006/1 29

[BESØGSSERVICE INSTITUT FOR MOLEKYLÆRBIOLOGI OG GENETIK, AU]

LIVETS KATALYSE ÅBNER OP FOR EN NY VERDEN

Skriftlig eksamen i Statistisk Mekanik den fra 9.00 til Alle hjælpemidler er tilladte. Undtaget er dog net-opkoblede computere.

Elektromagnetisme 14 Side 1 af 9 Elektromagnetiske bølger. Bølgeligningen

1899: Fredskonferencen i Haag forbyder giftgasser som våben.

Elektromagnetisme 14 Side 1 af 10 Elektromagnetiske bølger. Bølgeligningen

Resonans 'modes' på en streng

Arbejdsopgaver i emnet bølger

Biofysik ( ) Eksamen 6. juni timers skriftlig prøve. Alle hjælpemidler er tilladt

Rækkevidde, halveringstykkelse og afstandskvadratloven

Enkelt og dobbeltspalte

Verniers spektrofotometer SPRT-VIS USB 650

Øvelser 10. KlasseCenter Vesthimmerland Kaj Mikkelsen

Vindenergi en gammel teknologi med nye udfordringer

Kolde ioner - Kvantecomputere og andet godt

Partikelacceleratorer Eksperimentalfysikernes Ultimative Sandkasse

den kvantemekaniske computere. Hvis man ser på, hvordan Fysik Ved hjælp af atomer og lys, er det muligt at skabe en computer, som

Direkte måling af elektronstrukturen i graphen og ultrahurtig dynamik af masseløse Dirac Fermioner

Kvanteteleportering og kvanteinformation. Anders S. Sørensen Quantop, center for kvanteopik Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet

Transkript:

DNA s fotofysik Steen Brøndsted Nielsen Institut for Fysik og Astronomi Aarhus Universitet

Schrödinger skrev i 1944 bogen: What is life? En diskussion af et komplekst molekyle med den genetiske kode for levende organismer. Vigtig inspirationskilde til DNA strukturundersøgelser.

DNA s struktur blev fundet vha. eksperimenter (Røntgendiffraktion) og modelbygning Vi skal tilbage til 1953. Tre konkurrerende steder: King s College, London Cambridge California Institute of Technology

Franklin Wilkins, 1954 King s College, London

Watson og Crick, 1953 Cambridge

Pauling, 1987 Caltech

Strukturbestemmelse vha. Røntgendiffraktion Atomer spreder lys elastisk:

Bragg s diffraktionslov Konstruktiv interferens Destruktiv interferens 2 d sinθ = n λ (n heltal) Diffraktionsmønstret giver elektrontæthed fra hvilken atomstruktur kan udledes.

Et diffraktionseksperiment kræver en periodisk struktur som fx en krystal. DNA: fibre

Fotografi 51 Franklin, 1952

DNA dobbeltstreng Sukker-phosphat-rygrad Nukleobaser 3.4 Å 20 Å Sukkermolekyle Phosphatgruppe Hydrogenbindinger

Watson-Crick basepar H H 3 C O H N N Thymin (T) N N O H N N N Adenin (A) H N H O N Cytosin (C) N N O H H N N H N N Guanin (G)

Hydrogenbindinger

DNA kopiering (Replikation)

Molekylærbiologiens centrale dogme

Hot emne: Vekselvirkningen mellem DNA og UV lys Fotofysik: Hvilke tilstande populeres og hvordan omsættes og spredes energien? Fotokemi: Hvilke strukturelle ændringer sker?

Nukleotiders fotofysik Absorption λ max = 260 nm Adenosin 5 -monophosphat (AMP) - O O P -O O N O NH N 2 N N HO OH 230 240 250 260 270 280 290 300 Wavelength Bølgelængde [nm] Phosphat Sukker Nukleobase Absorptionen skyldes en elektronisk overgang i nukleobasen (ππ*)

S 0 S 1 T 1 S: singlet-tilstand (total spin = 0) T: triplet-tilstand (total spin = 1)

Tilstandsdiagram og elektroniske overgange S 1 T 1 Anslåede tilstande Spintilladt overgang Spinforbudt overgang S 0 Grundtilstand Hunds regel: T 1 er lavere i energi end S 1

Nukleobasers fotofysik S 1 Spinflip T 1 UV-lys Fluorescens (absorption) Phosphorescens S 0 Fluorescenskvanteudbytte < 10-4 Negligibelt tripletkvanteudbytte Strålingsløs overgang til grundtilstanden Hvad er den anslåede tilstands levetid?

Tilstandsdynamik: transient absorption S 1 -tilstandens levetid: elektronisk energi omdannes til varme 290 fs 720 fs S N Probe: 570 nm S 1 Pumpe: 263 nm 460 fs 540 fs S 0 S: singlettilstand J.-M. L. Pecourt, J. Peon, and B. Kohler, J. Am. Chem. Soc. 123, 10370-10378 (2001).

Levetider på få hundrede femtosekunder. Elektronisk anslåede molekyler er meget reaktive. En kort levetid giver beskyttelse mod kemiske reaktioner.

Nukleobaserne virker som effektive solskærme!

Den stærkeste overlever på molekylært niveau!

DIREKTE LYSABSORPTION I NUKLEOBASEN Hvad sker med den oprindelige elektroniske energi? Elektronisk energi? Bindingsbrud 0.3 ps?? Varme (vibrationsenergi) i nukleobasen ps Fordeling af varmen over hele molekylet (1000 K) Intramolekylære processer molekyle omgivelser 0.3-2 ps Energiafgivelse til vand-varmebadet

Problem: Vi skal have nukleotider på gasform uden at de går i stykker! Problemet blev løst i 1980 erne af John Fenn (Yale University). Electrospray ionisering

Electrospray ionisering droplets nøgne ioner

ELectrostatic Ion Storage ring in Aarhus (ELISA)

ELectrostatic Ion Storage Ring Aarhus (ELISA) S.P. Møller, NIM A 394, 281 (1997). J.U. Andersen, J.S. Forster, P. Hvelplund, T.J.D. Jørgensen, S.P Møller, S. Brøndsted Nielsen, U.V. Pedersen, S. Tomita, H. Wahlgreen, Rev. Sci. Instrum. 73, 1284 (2002).

ELectrostatic Ion Storage Ring Aarhus (ELISA) Laser power meter Ionpakke Laserpuls (266 nm) Magnet Laser Injektion Micro-channel plate detektor Accelerator med electrospray ionkilde Forsinket spaltning måles i dette område

Enkeltladede ioner: kinetisk energi på 22 kev. Omløbstider på 100 μs, masseafhængigt. Levetid bestemt af trykket i ringen, 10-11 mbar. Typisk af størrelsesordenen sekunder. Forsinket spaltning: dødtid på et halvt omløb ( 50 μs). Nylig opgradering af ELISA giver information om reaktionskanalerne!

Bestråling af AMP med fotoner (λ = 266 nm) 10 5 O O P O OH O N N NH 2 N N Laserpuls 10 4 OH OH Tællinger 10 3 10 2 Kollisionsinduceret spaltning 10 1 10 0 0 20 40 60 80 Tid [ms]

Levetid mht. spaltning efter fotonabsorption 10 6 Tællinger 10 5 10 4 10 3 10 2 16 μs AMP anion 10 1 0 200 400 600 800 1000 Tid efter fotoabsorption [μs] Phys. Rev. Lett. 91, 048302 (2003)

Levetiden for statistisk spaltning er adskillige mikrosekunder, hvilket er en del mere end tiden for afkøling i vandig opløsning (picosekunder). I væskefase kan statistisk spaltning ikke konkurrere med vibrationel køling af AMP-nukleotidet hν AMP (aq) hν 0.3 ps AMP (S o ) AMP* (S 1 ) AMP* (S o ) AMP (S o ) 16 μs Fotofragmenter Dannes kun i gasfase Nedkøling i vand (0.3-2 ps)

ELISA som datterionmassespektrometer Ionpakke Ringelementspændinger 10 o afbøjer MCP detektor V xv 0 Moderionlagring Fotoexcitation Datterionlagring Hurtig ændring af alle ringspændinger (μs) t 1 t 2 Dump af datterioner på MCP 10 o afbøjer Tid Rev. Sci. Instrum. 79, 023107 (2008)

Fotodissociation af enkeltstreng bestående af tre adeninbaser Tællinger 100 50 [da 3 +H] + A 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 m/z

DNA beskyttelsesmekanismer 1) Hurtig strålingsløs overgang til den elektroniske grundtilstand (enkelte baser) 2) Delokalisering af excitationsenergien over adskillige baser? Kommunikation mellem to strenge (baseparring) 3.4 Å Kommunikation i samme streng (basestakning)

Det diskuteres indædt hvorledes basestakning og parring påvirker den elektroniske deexcitation Antal baser der kobler og hvilke? Basestakning vs. baseparring Hvorledes ser den elektronisk exciterede tilstand ud? Excitontilstand vs. charge transfer tilstand

Monomer hν Kun een exciteret tilstand A A*

Dimer hν eller A A A* A A A* To mulige exciterede tilstande (exciton) eller A + A A A + Charge-transfer tilstande (excimer)

C.E. Crespo-Hernandez, B. Cohen, B. Kohler, Nature 436, 1141-1144 (2005)

Enkeltstreng af stakkede adeninbaser da n : levetid af anslået tilstand er 126 ± 8 ps Dobbeltstreng af stakkede adeninebaser og stakkede thyminbaser da n :dt n : levetid af anslået tilstand er 150 ± 30 ps Elektronisk kommunikation er begrænset til en streng Men tidsopløste eksperimenter prober ikke nødvendigvis den oprindelige tilstand efter excitationen.

Det vi adresserer: Hvor mange nukleobaser taler sammen i den oprindeligt anslåede tilstand?

DNA s fotofysik i vandig opløsning Absorption og circulær dichroisme ved ASTRID synchrotronstrålefaciliteten

Synchrotronstråling Lineært polariseret lys ved højere fotonflux end konventionelle kilder, specielt ved korte bølgelængder. Experimenter med bølgelængder under 200 nm er mulige!

Circulær dichroisme (CD) Forskel i absorption af venstre- og højredrejet cirkulært polariseret lys af et asymmetrisk eller kiralt molekyle.

Nukleosider er kirale pga. sukkergruppen OH HO * * O * * OH N N N N NH 2 OH HO * * O * N N N N NH 2 2 4 = 16 forskellige sukkerkonfigurationer 2 3 = 8 forskellige sukkerkonfigurationer

ε (10 4 mol -1 cm -1 ) 10 8 6 4 2 damp da 2 DNA enkeltstrenge af adenine Absorption: damp vs. da 2 F λ (mdeg nmol -1 cm -2 ) F λ (10 2 mdeg nmol -1 cm -2 ) 0 4 2 0-2 -4 5 da 4 2 x 3 da 16 3 da 6 da 20 2 da 10 da 25 1 0 da 12 da 30-1 -2-3 -4 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 Wavelength (nm) damp da 2 Circulær dichroisme: damp vs. da 2 Tre exciton bånd Circulær dichroisme: da n : n = 2 30 Phys. Rev. E 77, 021901 (2008).

CD signal ved 190 nm (10 2 mdeg nmol -1 cm -2 ) 5 4 3 2 1 0 da n : CD signal ved 190 nm Experimentelle data Lineært fit til høj-n data Modelfit, a i = a 1 exp( βi) max Hældning = i= 0 5 10 15 20 25 30 Mindst otte nukleobaser kobler elektronisk n i 1 a i

Model for CD signal af da n A A A A A A A A A a 1 a 1 a 1 a 1 a 1 a 1 a 2 a 2 a 1, a 2, a 3, er koblingsled CD signal (n) = n i= 1 ( n i) a i a 3 a 2 Antag a i = 0 for i > i max max CD signal (n) = d CD signal dn i i i= 1 max = i= 1 a i ( n i) a i

da n : CD signal ved 218 nm CD signal ved 218 nm (10 2 mdeg nmol -1 cm -2 ) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 Experimentelle data Fit til ret linie a 0.0 1 0 5 10 15 20 25 30 n Hældning = a 1 Kun to adeninnukleobaser kobler elektronisk

Konklusion Elektronisk kobling imellem adeninbaser i den exciterede tilstand afhænger stærkt af excitationsenergien: Ved 190-nm excitation kobler mindst otte adenin elektronisk. Ved 218-nm og 250-nm excitation kobler to adenin elektronisk. Kun nærmeste nabovekselvirkninger betyder noget.

Vores næste projekt: DNA dobbeltstrenge med samme antal A-T basepar (18) men forskellig antal adenin i stakke (thymin slukker for koblingen imellem adeninbaser): Streng 1 Streng 2 A A A A A A A A A T TTTTTTTT TTTTTTTTTA A A A A A A A A 2 9 A A A T TTA A A TTT A A A TTT TTTA A A TTTA A A T TTA A A 6 3 A T A T A T A T A T A T A T A T A T T A T A T A T A T A T A T A T A T A... 18 1

Elektrontransport langs en DNA-streng - A A A A A A A A A A A A A A A A - A A A A A A A A A A A A A A A A - A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A - DNA er en nanoledning (molekylær elektronik)

CURRENT GROUP MEMBERS Principal investigators: Preben Hvelplund Jens Ulrik Andersen Steen Brøndsted Nielsen Post docs: Henning Zettergren Jean A. Wyer Kristian Støchkel Students: Anne I.S. Holm Maj-Britt S. Kirketerp Camilla S. Jensen Jakob B. Overgaard Lisbeth M. Nielsen Rune S. Thing ISA Søren Vrønning Hoffmann FNU Lundbeckfonden Carlsbergfondet Villum Kann Rasmussen

VÆRKTØJSSÆT ELECTROSPRAY IONISERING MASSESPEKTROMETRI: ACCELERATORINSTRUMENT LAGERRINGEN ELISA LASERE COMPUTERE TIL MOLEKYLMODELERING