Scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapore) a développé une technique pour observer comment le rayonnement endommage les molécules sur des périodes de seulement un quadrillionième de seconde, ou une femtoseconde.

La technique consiste à dissoudre des molécules organiques dans l'eau pour simuler l'état des molécules présentes dans les tissus biologiques. Cela permet à l'équipe de recherche de voir les dommages causés par les rayonnements se produire dans les tissus et les molécules biologiques avec une précision et une clarté plus grandes que jamais.

Les rayonnements nucléaires ou ionisants peuvent endommager les organismes en altérant l'ADN et d'autres molécules biologiques en désintégrant les liaisons chimiques qui maintiennent les molécules ensemble.

Grâce à leur nouvelle technique, les scientifiques ont observé les vibrations générées par les collisions de particules de rayonnement ionisant avec une molécule organique, ce qui l'a finalement fait se briser après avoir subi de violents étirements, pliant, et des mouvements de torsion. Ces vibrations ne se produisaient que lorsque les molécules étaient dissoutes dans l'eau, ce qui représente une avancée significative par rapport aux études précédentes.

Professeur agrégé Zhi-Heng Loh, une chaire adjointe à l'École des sciences physiques et mathématiques de NTU qui a dirigé la recherche, mentionné, "C'est la première fois que quelqu'un observe la dynamique moléculaire induite par l'ionisation dans des solutions aqueuses à des échelles de temps femtosecondes. Dans des études précédentes, les scientifiques n'ont pu observer les produits de l'ionisation qu'une fois que la molécule avait déjà été brisée."

Bien que les dangers des rayonnements soient largement reconnus depuis les années 1930, lorsque Marie Curie est décédée d'une anémie causée par son exposition prolongée à la radioactivité, les processus exacts par lesquels les rayonnements ionisants modifient les molécules ne sont toujours pas complètement compris.

L'étude a utilisé des méthodes de la femtochimie pour capturer le comportement des atomes et des molécules à des échelles de temps ultra-courtes, comme dans la formation ou la rupture de liaisons chimiques qui prennent quelques quadrillions de seconde, ou femtosecondes.

La femtochimie utilise des lasers qui émettent des impulsions lumineuses extrêmement brèves et chaque impulsion crée un instantané de la réaction chimique. Ceux-ci peuvent ensuite être assemblés comme les cadres d'une vidéo, pour surveiller les processus chimiques ultra-rapides du début à la fin.

Découvrir comment le rayonnement altère les molécules

Le professeur agrégé Loh et son équipe ont cherché à comprendre comment les rayonnements ionisants affectent les molécules biologiques. Comme point de départ, ils ont concentré leur attention sur l'ion phénoxyde, une molécule organique relativement simple qui contient bon nombre des mêmes types de liaisons chimiques que celles trouvées dans les protéines qui composent les tissus vivants.

La spectroscopie haute résolution avait auparavant été utilisée pour étudier le phénoxyde sous sa forme gazeuse, et à partir de là, les chercheurs ont observé un comportement relativement simple :lorsqu'ils sont frappés par des rayonnements ionisants, chaque molécule de phénoxyde vibre à une fréquence unique, comme une cloche sonnant d'un seul ton clair. Cependant, cette méthode n'a pas pu être utilisée pour étudier les molécules organiques dissoutes dans l'eau, ce qui est similaire à l'état des molécules que l'on trouve dans les tissus biologiques.

A l'aide d'un appareil à laser pulsé, l'équipe du NTU a pu enregistrer comment le rayonnement endommage les molécules de phénoxyde dissoutes dans l'eau. L'équipe a identifié plusieurs fréquences vibratoires, distincte de la fréquence unique observée dans le phénoxyde gazeux. Ils ont découvert que lorsque le rayonnement provoque l'éjection d'un électron par les molécules, la molécule vibre selon un schéma très complexe, plus proche du son d'une cymbale ou d'un gong que d'une cloche qui sonne.

"À l'avenir, nous nous appuierons sur cela pour étudier comment le rayonnement affecte les molécules plus grosses et plus compliquées, tels que les protéines et les acides nucléiques, qui sont les éléments constitutifs de la vie, " a déclaré le professeur agrégé Loh.

"Notre groupe de recherche est spécialisé en femtochimie, et une fois que nous nous sommes intéressés au sujet, il s'est avéré relativement simple d'adapter nos méthodes de femtochimie à l'étude du mouvement vibrationnel des molécules ionisées dissoutes dans l'eau. À notre surprise, personne n'avait jamais abordé ce problème particulier auparavant, " il ajouta.