Daño por radiación debido a la desintegración culombínica intermolecular

Cuando las células están expuestas a radiación ionizante, pueden ocurrir reacciones en cadena más destructivas de lo que se pensaba. Un equipo internacional dirigido por investigadores del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg ha observado por primera vez la desintegración de la aguileña intermolecular en moléculas orgánicas. Esto es causado por radiación ionizante como la radioactividad o desde el espacio. Este efecto daña dos moléculas vecinas y eventualmente conduce a la ruptura de enlaces, como los del ADN y las proteínas. Este descubrimiento no solo mejora la comprensión del daño por radiación, sino que también podría ayudar en la búsqueda de materiales más efectivos para respaldar la radioterapia.

A veces, el daño por radiación no puede ser lo suficientemente significativo, especialmente cuando se trata de la destrucción del tejido tumoral con radiación ionizante. en un radioterapiaSe utilizan sustancias que aumentan específicamente el daño por radiación a los tejidos tumorales. «La desintegración de la columbina intermolecular que descubrimos podría ayudar a que estos catalizadores sean más efectivos», dice Alexander Dorn, quien dirige un grupo de investigación en el Instituto Max Planck de Física Nuclear y fue fundamental en el estudio actual. Las observaciones de su equipo también podrían mejorar nuestra comprensión de cómo la radiación ionizante natural o artificial destruye el material genético de los tejidos sanos.

El exceso de energía conduce a una explosión de Coulomb

La doble hélice de ADN del genoma es como una escalera de hebra con peldaños de pares de bases. «Debido a la dificultad de los experimentos con bases nucleares libres, inicialmente estudiamos pares de moléculas de benceno como un sistema modelo», explica Dorn. Estos anillos de hidrocarburos están vinculados de manera similar a las nucleobases apiladas una encima de la otra en una hebra de ADN. Los investigadores bombardearon los pares de benceno con electrones, imitando así la radiación radiactiva hasta cierto punto. Cuando un electrón golpea una molécula de benceno, se ioniza y se carga con mucha energía. El equipo ahora notó que la molécula transfirió parte de esta energía a la molécula asociada. Este aumento de energía fue suficiente para ionizar también la segunda molécula. Por tanto, ambas partículas estaban cargadas positivamente. Por supuesto, esto no duró mucho. Los iones moleculares se repelen entre sí y salen volando en la explosión de Coulomb.

Hasta ahora, los científicos han asumido que la radiación ionizante destruye indirectamente las biomoléculas. La radiación de alta energía también ioniza en gran medida el agua que forma la célula y que rodea moléculas vitales como el ADN. Luego, las moléculas de agua ionizada, especialmente los iones de hidróxido, atacan el ADN. Y si un electrón de radiación beta o un cuanto gamma choca directamente con una molécula de ADN, el exceso de energía suele disiparse mediante procesos en la propia molécula. Por tanto, permanece intacto. O al menos esa ha sido la suposición hasta ahora. En cualquier caso, los enlaces débiles entre diferentes moléculas o diferentes partes de una molécula, como se encuentran en el ADN y las proteínas, tampoco deberían verse afectados por esto. Sin embargo, en un microscopio de reacción, los investigadores notan que la radiación radiactiva puede romper estos enlaces. Este instrumento les permite no solo detectar las dos moléculas de benceno que las separan y medir su energía, sino también caracterizar los electrones que se emiten.

Consecuencias fatales de múltiples roturas de ADN

«Aún no está claro cómo afecta la desintegración de la columbina intermolecular a la cadena de ADN», dice Dorn. Si se rompe una sola hebra de la escalera del ADN, las consecuencias no deberían ser demasiado graves. Sin embargo, el mecanismo observado también libera varios electrones que pueden «explotar» otros pares de moléculas. Y si ambas hebras de ADN se rompen en las inmediaciones, esto podría tener graves consecuencias.

Para evaluar mejor el efecto de la radiación sobre el material genético, el equipo de Dorn ahora también bombardeará pares de ácidos nucleicos con electrones bajo un microscopio de reacción. «Este es un desafío experimental porque tenemos que calentar las bases nucleares para vaporizarlas», explica Dorn. «Pero tampoco debería hacer demasiado calor, para que no se destruya». Los médicos nucleares también pueden seguir el camino hacia catalizadores más potentes liberados por el equipo de Heidelberg mediante la observación de la desintegración colombiana intermolecular. Por tanto, el mecanismo puede ser adecuado para ambos casos de daños por radiación: los que deben evitarse en la medida de lo posible y los que deben ser lo más grandes posible.

La búsqueda fue publicada en química de la naturaleza.