Lors d'expériences au laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, les scientifiques ont pu voir la première étape d'un processus qui protège un élément constitutif de l'ADN appelé thymine des dommages causés par le soleil :lorsqu'il est touché par la lumière ultraviolette, un seul électron saute sur une orbite légèrement plus élevée autour du noyau d'un seul atome d'oxygène.

Ce saut infinitésimal déclenche une réponse qui étire l'une des liaisons chimiques de la thymine et la remet en place, créant des vibrations qui dissipent sans danger l'énergie de la lumière ultraviolette entrante afin qu'elle ne provoque pas de mutations.

La technique utilisée pour observer ce minuscule basculement au laser à électrons libres de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC peut être appliquée à presque toutes les molécules organiques qui répondent à la lumière - que cette lumière soit une bonne chose, comme dans la photosynthèse ou la vision humaine, ou une mauvaise chose, comme dans le cancer de la peau, disaient les scientifiques. Ils ont décrit l'étude en Communication Nature aujourd'hui.

"Toutes ces molécules organiques sensibles à la lumière ont tendance à absorber la lumière dans l'ultraviolet. Ce n'est pas seulement la raison pour laquelle vous attrapez des coups de soleil, mais c'est aussi pourquoi vos verres de lunettes en plastique offrent une certaine protection UV, " dit Phil Bucksbaum, professeur au SLAC et à l'Université de Stanford et directeur du Stanford PULSE Institute au SLAC. "Vous pouvez même voir ces effets sur les meubles de jardin en plastique - après quelques saisons, ils peuvent devenir cassants et décolorés simplement parce que le plastique absorbe constamment la lumière ultraviolette, et la façon dont il absorbe le soleil endommage ses liaisons chimiques."

Attraper des électrons en action

La thymine et les trois autres éléments constitutifs de l'ADN absorbent également fortement la lumière ultraviolette, qui peuvent déclencher des mutations et le cancer de la peau, pourtant, ces molécules semblent s'en sortir avec un minimum de dommages. En 2014, une équipe dirigée par Markus Guehr – alors un scientifique senior du SLAC et maintenant membre de la faculté de l'Université de Potsdam en Allemagne – a rapporté qu'elle avait trouvé la réponse :qui a eu lieu en 200 femtosecondes, ou des millionièmes de milliardième de seconde après l'exposition aux rayons UV.

Mais qu'est-ce qui a fait s'étirer le lien ? L'équipe savait que la réponse devait impliquer des électrons, qui sont chargés de former, changer et rompre les liaisons entre les atomes. Ils ont donc mis au point un moyen ingénieux d'attraper les mouvements d'électrons spécifiques qui déclenchent la réponse protectrice.

Il reposait sur le fait que les électrons ne gravitent pas autour du noyau d'un atome en cercles concentriques nets, comme des planètes en orbite autour d'un soleil, mais plutôt dans des nuages ​​flous qui prennent une forme différente selon leur distance du noyau. Certaines de ces orbitales sont en fait comme une sphère floue; d'autres ressemblent un peu à des haltères ou au départ d'un animal ballon. Vous pouvez voir des exemples ici.

Un signal fort pourrait résoudre un débat de longue date

Pour cette nouvelle expérience, les scientifiques ont frappé des molécules de thymine avec une impulsion de lumière laser UV et ont réglé l'énergie des impulsions laser à rayons X LCLS afin qu'elles se concentrent sur la réponse de l'atome d'oxygène qui se trouve à une extrémité de l'étirement, lien de rupture.

L'énergie de la lumière UV a excité l'un des électrons de l'atome à sauter dans une orbitale supérieure. Cela a laissé l'atome dans une sorte d'état de pointe où juste un peu plus d'énergie propulserait un deuxième électron dans une orbitale supérieure; et ce deuxième saut est ce qui déclenche la réponse protectrice, changer la forme de la molécule juste assez pour étirer la liaison.

Le premier saut, ce qui était connu auparavant, est difficile à détecter car l'électron s'enroule dans un nuage orbital assez diffus, dit Guehr. Mais la seconde, qui n'avait jamais été observé auparavant, était beaucoup plus facile à repérer parce que cet électron s'est retrouvé dans une orbitale avec une forme distinctive qui a émis un gros signal.

"Bien qu'il s'agisse d'un très petit mouvement d'électrons, le signal nous a sauté dessus dans l'expérience, " a déclaré Guehr. " J'ai toujours eu le sentiment que ce serait une transition forte, juste intuitivement, mais quand nous avons vu cela entrer, c'était un moment spécial, l'un des meilleurs moments qu'un expérimentateur puisse avoir."

Régler un débat de longue date

L'auteur principal de l'étude Thomas Wolf, un chercheur associé au SLAC, a déclaré que les résultats devraient régler un débat de longue date sur la durée de la réponse protectrice après l'exposition aux UV :cela se produit 60 femtosecondes après l'apparition de la lumière UV. Ce laps de temps est important, il a dit, parce que plus l'atome passe dans l'état tippy entre le premier saut et le second, plus il est susceptible de subir une sorte de réaction qui pourrait endommager la molécule.

Henrik Koch, un théoricien à NTNU en Norvège qui était à l'époque professeur invité à Stanford, conduit l'étude avec Guehr. Il a dirigé l'effort de modélisation, comprendre et interpréter ce qui s'est passé dans l'expérience, et il y a participé dans une mesure inhabituelle, dit Guehr.

"Il est extrêmement expérimenté dans l'application de la théorie au développement de méthodologies, et il a eu cette curiosité d'apporter ceci à notre expérience, " Guehr a déclaré. " Il était tellement fasciné par cette recherche qu'il a fait quelque chose de complètement atypique d'un théoricien - il est venu à LCLS, dans la salle de contrôle, et il voulait voir les données arriver. J'ai trouvé cela complètement incroyable et très motivant. Il s'est avéré que certaines de mes réflexions précédentes étaient tout à fait justes, mais que d'autres aspects étaient complètement faux, et Henrik a fait la bonne théorie au bon niveau pour que nous puissions en tirer des leçons."