Ultrakurzzeitdynamik und Spektroskopie von DNS/RNS-Nukleobasen und -Analoga

Ein Ziel des Forschungsvorhabens ist, ein umfassendes Verständnis der ultraschnellen Photorelaxations-dynamik von DNS/RNS-Nukleobasen sowie deren Analoga unter Berücksichtigung von nicht-adiabatischen und Spin-Bahn- Kopplungen gleichermaßen zu erlangen. Auf diese Weise werden wir erstmals ein dynamisches Bild liefern, welches innere Umwandlung und Interkombination ausgewogen beschreibt. Ein zweites Ziel ist es, eine allgemeine theoretische Methodik zu entwickeln, das den direkten Vergleich von theoretisch berechneten Observablen mit Resultaten aus zeitaufgelöster Pump-Probe-Femtosekundenspektroskopie ermöglicht. Obwohl beide Ziele auf das sich rasch entwickelnde Feld der DNS/RNS-Photodynamik ausgerichtet sind, sind die hier formulierten methodischen Entwicklungen restlos allgemeingültig und werden realistische Simulationen von photochemischen und photobiologischen Prozessen im Allgemeinen ermöglichen. Um die o. a. Ziele zu erreichen, werden wir eine Kombination aus exakten Elektronenstrukturrechnungen und einer kürzlich entwickelten ab-initio-surface-hopping- Molekulardynamiktheorie verwenden, wobei letztere in der Lage ist, gleichzeitig nicht-adiabatische und Spin- Bahn-Kopplungen zu berücksichtigen. Desweiteren werden wir die Fähigkeiten unseres existierenden ab-initio- Molekulardynamikcodes erweitern, so dass Ionisierungsausbeuten berechnet werden können. Ionisierungsausbeuten sind die Observablen, die in den entsprechenden Experimenten gemessen werden. Synergieeffekte zwischen Theorie und Experiment werden durch die Zusammenarbeit mit der Experimentalgruppe von C. E. Crespo-Hernndez einem der führenden Experten weltweit auf dem Gebiet der Femtosekundenspektroskopie von DNS/RNS-Systemen und deren Analoga gefördert. Die zu untersuchenden Systeme werden verwendet werden, um zwei gegensätzliche Phänomene zu verstehen: i) Die Photostabilität von DNS/RNS-Nukleobasen und ii) den Ursprung von lichtinduzierten Beschädigungen von DNS. Innere Umwandlung wird im Allgemeinen für die ultraschnelle Relaxation verantwortlich gemacht, die photoinduzierte Beschädigungen in DNS im elektronisch angeregten Zustand verhindert und daher die bemerkenswerte Photostabilität von DNS/RNS-Nukleobasen erklärt. Die Rolle von Triplett-Zuständen, welche durch Interkombination erzeugt werden, wird normalerweise in Dynamikstudien vernachlässigt, weil die Rate der inneren Umwandlung in organischen Molekülen allgemein für höher als diejenige der Interkombination gehalten wird. In einer kürzliche erschienenen Studie der Antragstellerin über Cytosin [J. Phys. Chem. Lett. 3, 30903095 (2012)], zeigen wir jedoch, dass die Besetzung von Triplett-Zuständen via Interkombination auf einer Femtosekundenzeitskala stattfindet und somit direkt mit innerer Umwandlung konkurriert. Ein Meilenstein des vorliegenden Antrages ist daher die Erweiterung solcher Studien auf die restlichen DNS/RNS-Nukleobasen. Außerdem wurde experimentell gezeigt, dass bestimmte chemische Substitutionen die Interkombinationsrate stark erhöhen kann, was DNS-Analoga aufgrund ihres Potenzials DNS zu schädigen besonders attraktiv für therapeutische und pharmakologische Anwendungen macht. Ein zweiter, artverwandter Meilenstein dieses Antrags ist daher die spezifischen DNS-Analoga zu untersuchen und ihr unterschiedliches Verhalten zu erklären. Ionisierungsausbeuten werden in ausgewählten Systemen berechnet werden, gemäß dem durch die parallelen Experimente geweckten Interesse.

Dieses Projekt benutzte Computersimulationen, um die Mechanismen zu untersuchen, die für die ultraschnelle Photorelaxationsdynamik von DNS/RNS-Nukleobasen verantwortlich sind und wie chemische Substitutionen diese Dynamik beeinflussen . Nukleobasen sind die grundlegenden Bausteine von DNS und RNS, welche alle genetischen Informationen aller Lebensformen speichern. Diese Informationen können von ultraviolettem (UV) Licht beschädigt werden, indem die Nukleobasen elektronisch angeregt werden, was dann zu schädigenden Photoreaktionen führen kann. Ähnliche licht-induzierte Nebenreaktionen können auch in Nukleobasenanaloga auftreten, welche aufgrund ihrer Ähnlichkeit zu den Nukleobasen vielfältig als "Trojanische Pferde" in Medizin und Molekularbiologie verwendet werden. In diesem Projekt haben wir eine allgemeine theoretische Methode weiterentwickelt, um nichtadiabatische Dynamiksimulationen von angeregten Zuständen unter Berücksichtigung von Elektronenspin-Änderungen durchzuführen. Diese Methode, welche wir SHARC (Surface Hopping including ARbitrary Couplings) getauft haben, wurde um die folgenden Komponenten erweitert: i) die Berechnung von Ionisierungsausbeuten, um ähnliche Observablen wie in bestimmten Gasphasen-Experimenten zu erhalten, und ii) mehrere neue Implementationen, welche den effizienten Einsatz diverser Elektronenstrukturmethoden ermöglichen. Die Dynamiksimulationen zeigten, dass nach UV-Bestrahlung in den kanonischen Nukleobasen Cytosin, Uracil und Thymin gelegentlich Nebenreaktionen ablaufen, welche zur Änderung von Elektronenspin und damit zu lichtinduzierten DNS-Schäden führen. Veränderungen der chemischen Struktur der Nukleobasen führen dazu, dass diese Nebenreaktionen zum bedeutendsten Reaktionspfad aufgewertet werden. Drei Klassen von modifizierten Nukleobasen wurden untersucht: Thiobasen (bei denen Sauerstoff durch Schwefel ersetzt wurde), Azabasen (welche zusätzliche Stickstoffatome im aromatischen Ring besitzen) und Halobasen (welche Halogenatome besitzen). Wir haben gezeigt, warum Thiobasen extrem effiziente Spin-Änderungsprozesse aufweisen, wodurch sie interessante Photosensibilisatoren darstellen. Die untersuchte Azabase, 5-Azacytosin, welche in großem Umfang in der Krebstherapie eingesetzt wird, zeigt dagegen keinerlei Spin-Änderungen, wie unsere Simulationen zeigten. Die Untersuchungen der Halobase 5-Bromouracil ergaben, dass eine Dissoziation der Kohlenstoff-Brom-Bindung unwahrscheinlich ist, während Spin-Änderungen durchaus möglich sind. Diese Ergebnisse unterstützen die Erforschung und Entwicklung neuer Medikamente und biochemischer Forschungswerkzeuge.