Søren Vrønning Hoffmann Fysiklærerdag. IFA, Aarhus Universitet. Januar 2013
Introduktion DNA molekyler er et fascinerende komplekst system. Rigtigt mange elektroner og mange mulige tilstande Til vores studier bruger vi UV lys, og udnytter lysets polarisation samt at DNA er kiralt. Vi brug for en kraftig og tunebar UV kilde: Synkrotron stråling. Pt. bruger vi den gamle largerringastrid, men vi er ved at opbygge en ny avanceret kilde: ASTRID2
Synkrotron Stråling Elektromagnetisk stråling bruges på mange skalaer til at undersøge og måle verden. UV lys er velegnet til at undersøge molekyler som bl.a. DNA. Synkrotron stråling (SR) udsendes når ladede partikler accelereres: Her elektroner ved relativistiske energier. Lyset er meget intenst.
The ASTRID accelerator complex The ASTRID and ASTRID2 complex is situated under the parking lot between physics and chemistry
The ASTRID accelerator complex ASTRID ASTRID2 ASTRID is a pre-accelerator allowing full energy injection into ASTRID2 (top-up)
Hvorforbyggeen nysr kilde? Tværsnittet af elektronstrålen er ca. 100 gange mindre. 1.0 Beam size (1σ) in the middle of a straight section Dette er vigtigt for mange eksperimenter hvor en lille lysplet på prøven er vigtig. Gør det også muligt effektivt at bruge spejle til forme lyset og transportere det til prøven. Vertical /mm 0.5 0-0.5-1.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Horizontal /mm Mere lys med en mindre pletstørrelse: Vi kalder lyset mere Brilliant Åbner op for nye eksperimenter f.eks. tidsafhængige studier af DNA s struktur.
Building ASTRID2 3 rd January 2011: Newly painted floor in empty hall.
Building ASTRID2 23 rd March 2011: Infrastructure ready.
Building ASTRID2 28th June 2011: First girder delivered
Building ASTRID2 20 th July 2011: All girder installed
Building ASTRID2 8th March 2012: Most of the ring under vacuum
Building ASTRID2 11 th May 2012: RF cavity in place and concrete wall build
Building ASTRID2 7 th August 2012: First multi turns of beam in ASTRID2 (no RF)
Building ASTRID2 10 th September 2012: Official opening by the Danish Minister for Research, Innovation and Higher Education
Building ASTRID2 10th September 2012: Official opening by the Danish Minister for Research, Innovation and Higher Education
We have a stored beam!!! The first beam was stored Friday 2nd November 2012 Only one day and a morning after commissioning RF
We have a stored beam!!! Top-up mode (14 th January 2013)
Absorption Spectroscopy 1.5 1.0 0.5 Absorbance: A=log(I 0 /I t ) 0.0 2 -DeoxyAdenosine 5 -MonoPhosphoric acid 170 190 210 230 250 270 290 310 330 Wavelength [nm]
Polarized light Horizontally pol. Vertically pol. Sum of two plane pol. Circularly pol.
CircularDichroism The CD signal: CD = A L -A R
The Ultra Violet beamlines UV1 CD1
Light Sources 1.0E+14 Flux [photons/sec] 1.0E+13 1.0E+12 1.0E+11 1.0E+10 CD1 Beamline Jobin-Yvon Xenon arc lamp 1.0E+09 100 150 200 250 300 Wavelength [nm]
SRCD: Whydo it (Oligo)Nucleotides/DNA 12 CD signal [mdeg] 8 4 0 170-4 190 210 230 250 270 290-8 Wavelength [nm] Strong CD signal below 300 nm: Are data below 200 nm really important? YES!!
SRCD on Oligo-nucleotides 10 ε (10 4 mol -1 cm -1 ) 8 6 4 2 damp da 2 Single strands of adenine nucleotides 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 Circular Dichroism: Strong coupling between bases da n n = 2-30 The signal at 190 nm: Doesn t increase linearly with n (for small n)
SRCD on Oligo-nucleotides The signal at 190 nm: Doesn t increase linearly with n (for small n) Make a model: A A A A A A A A A a 1 a 1 a 1 a 1 a 1 a 1 a 2 a 1, a 2, a 3, are coupling terms a 2 a 2 e.g. F λ (4) =a 3 +2a 2 +3a 1 In general: F λ (n) = n i= 1 ( n i) Where a i =α exp(-βid), d=3.4 Å a 3 a i
SRCD on Oligo-nucleotides CD signal 190 nm CD signal at 190 nm (10 2 mdeg nmol -1 cm -2 ) 5 4 3 2 1 0 Experimental data Linear fit to high-n data Model fit, a i = α exp( βi) 0 5 10 15 20 25 30 n At least eight nucleobases couple. Nearest neighbour coupling (a 1 ) is only about 24%
SRCD on Oligo-nucleotides CD signal 218 nm CD signal at 218 nm (10 2 mdeg nmol -1 cm -2 ) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Experimental data Linear fit 0 5 10 15 20 25 30 n Slope = a 1 Only two adenine bases couple
SRCD on Oligo-nucleotides Conclusion: Electronic coupling between stacked adenine bases depends strongly on the excitation energy (wavelength) Below 200 nm: At least eight adenine bases couple Above 200 nm: Only two adenine bases couple Electronic coupling between nucleobases impacts: Excitation energy is spread over a large spatial region Self-protection mechanism of DNA: less prone to UV or VUV damage DNA as a conducting nanowire
Hvad kan vi lave ved ASTRID2? Tidsopløste eksperimenter Med en langt mere intens UV lyskilde kan vi følge ændringer i struktur. F.eks. enkeltstreng til dobbeltstreng DNA ASTRID Tidsskala: Sekunder til minutter ASTRID2 Tidsskala: Millisekunder Muligt med en ny og kraftig 2.4 m lang magnetisk struktur: Undulator Er netop leveret fra Italien
Hvad kan vi lave ved ASTRID2? Tidsopløste eksperimenter Med en langt mere intens UV lyskilde kan vi følge ændringer i struktur. F.eks. enkeltstreng til dobbeltstreng DNA ASTRID Tidsskala: Sekunder til minutter ASTRID2 Tidsskala: Millisekunder Muligt med en ny og kraftig 2.4 m lang magnetisk struktur: Undulator Er netop leveret fra Italien
Hvad kan vi lave ved ASTRID2? Blanding af DNA enkelt strenge med salt: Mixer Fill syringe Sample A Pneumatic ram Injection syringes Glass Hamilton type Sample B Waste
Hvad kan vi lave ved ASTRID2? Udvikling af mixer (George Gearløs)
Hvad kan vi lave ved ASTRID2? Første test: Selv komplementær DNA streng og salt (AATT) 4 + NaF Hurtig reaktion: Lidt støjet: Overstået på få sekunder Bedre UV kilde / ASTRID2
Kom og besøg ASTRID2 Courtesy: Dr. N.C. Jones