ADN, qui stocke l'information génétique dans la majorité des organismes sur Terre, n'est pas facilement détruit. Il absorbe facilement le rayonnement ultraviolet (UV), mais trouve des moyens de récupérer.

Pour lutter contre les dommages causés par les radiations, les cellules ont développé des mécanismes de réparation de l'ADN, ainsi que des mécanismes pour éliminer l'énergie avant qu'elle ne brise l'ADN, comme l'auto-ionisation, qui est le processus par lequel la macro-molécule à l'état excité émet spontanément un de ses électrons, libérant une énorme quantité d'énergie. Il est essentiel de comprendre ce mécanisme pour étudier et atténuer les effets des rayonnements sur les organismes vivants.

Une équipe de chercheurs de l'Université Lehigh (Slava V. Rotkin, Tétiana Ignatova, Michael Blades), l'Université de Floride centrale (Alexander Balaeff), l'Institut national des normes et de la technologie (Ming Zheng) et un étudiant de l'Université de Rochester participant au programme d'été "Research Experiences for Undergraduates" (REU) soutenu par la NSF à Lehigh (Peter Stoeckl) ont entrepris de comprendre la stabilité de l'ADN comme support d'informations génétiques contre les dommages potentiels causés par les rayons UV. Ils ont rapporté leurs découvertes dans un article récemment accepté pour publication dans Nano-recherche .

Rotkin et ses collègues ont étudié des complexes auto-assemblés d'ADN enroulés autour de nanotubes de carbone à paroi unique en utilisant une technique spéciale :la spectroscopie de photoluminescence bicolore. L'utilisation simultanée des UV et de la lumière verte pour sonder l'échantillon a fourni une perspective que personne n'avait pu observer auparavant dans des expériences à une seule couleur. Plus tard, une théorie de la mécanique quantique a été développée pour soutenir les données expérimentales et ils ont pu confirmer un taux d'auto-ionisation de l'ADN très rapide.

"Être capable d'établir l'efficacité du processus d'auto-ionisation est une étape clé pour comprendre comment l'ADN excité par les UV peut "refroidir" sans se casser, gardant ainsi ses fonctions biologiques normales, " dit Rotkin, professeur au département de physique et au département de science et ingénierie des matériaux de Lehigh.

L'approche innovante de l'équipe a un grand potentiel pour surveiller l'excitation de l'ADN, l'autoionisation et les dommages chimiques importants pour des domaines aussi divers que la médecine, Biologie de l'évolution, et l'exploration spatiale. À des fins biomédicales, la capacité d'étudier le mécanisme d'auto-ionisation pourrait contribuer à une compréhension des niveaux de survie de rayonnement UV pour différents types de cellules et des moyens d'atténuer les effets de l'irradiation. Dans une perspective évolutive, il est important de comprendre les mécanismes de dissipation qui étaient cruciaux lors de l'évolution cellulaire primordiale lorsque le rayonnement UV était de plusieurs ordres de grandeur plus intense qu'aujourd'hui alors que les mécanismes de réparation de l'ADN étaient vraisemblablement inexistants. Pour une exploration continue de l'espace, il est important de développer des stratégies pour la sécurité des cellules et des organismes dans des conditions de rayonnement sévères.

Il a fallu trois ans aux chercheurs pour collecter les données et analyser les effets. « Nous avons trouvé un comportement anormal de l'émission de nanotubes :il semblait que quelque chose « volait » la lumière émise sous l'éclairage UV de deuxième couleur, " a déclaré Rotkin. "Ce domaine est encore extrêmement sous-exploré. Personne n'avait vu cela auparavant et nous avons dû émettre des hypothèses sur les données bicolores pendant un certain temps, mettre en avant et rejeter expérimentalement divers modèles afin de trouver la bonne interprétation."

Ce n'est que lorsqu'ils ont supposé que l'ADN était la source du phénomène observé - et qu'ils ont rejeté un modèle largement accepté - que les chercheurs ont pu comprendre pleinement la trempe optique des nanotubes.

L'ADN est très utile pour l'étude des nanotubes. Un brin d'ADN enroulé autour d'un seul nanotube de carbone - une structure de carbone cylindrique miniature qui a un réseau de graphite hexagonal et des parois d'un seul atome d'épaisseur - retiendra le nanotube dans l'eau et lui permettra d'avoir pratiquement les mêmes bonnes propriétés optiques que vierge Matériel.

Initialement, les chercheurs ont été surpris d'observer des changements dans les propriétés optiques du nanotube lorsque la lumière UV était appliquée aux échantillons.

« Pendant des années, il a été communément admis que l'ADN est un support « inerte » pour les nanotubes et que l'ADN maintient le nanotube dans l'eau sans modifier ses propriétés, " a ajouté Rotkin. " Il a fallu plusieurs années à notre équipe pour se séparer de cette idée commune, parce qu'il était si largement accepté. Finalement, après une série d'expériences supplémentaires, les données indiquaient clairement que l'origine de la modulation était l'ADN lui-même."

Dans la foulée de cette découverte, les chercheurs ont déplacé l'objectif de leur projet pour voir comment leur technique de spectroscopie de photoluminescence à deux couleurs pourrait être utilisée pour sonder davantage les propriétés de l'ADN.

"Il est maintenant compris que différentes bases nucléiques d'ADN présentent différentes propriétés d'auto-ionisation, " a conclu Rotkin. " Nous prévoyons que cela créera des outils biomoléculaires non invasifs sans précédent pour résoudre les problèmes critiques de la biophysique des acides nucléiques. "

L'étude a été financée par la National Science Foundation (NSF:ECCS) dans le cadre du projet intitulé "Applications de physique fondamentale et de biodétection des nanomatériaux composites fluorescents - des terres rares combinées à des nanotubes de carbone contenant de l'ADN".