Från strålning till radikaler: Röntgeninducerad dynamik i fria och solvatiserade system med tunga atomer

Projekttitel: Från strålning till radikaler: Röntgeninducerad dynamik i fria och solvatiserade system med tunga atomer
Huvudsökande: Olle Björneholm, avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik
Beviljade medel: 3 300 000 för perioden 2017-2021
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

Projektbeskrivning

Röntgenstrålning används inom medicinen för både diagnostik och behandling, samt inom naturvetenskapen, t.ex. inom kristallografi. Vid alla dessa tillämpningar uppkommer strålskador orsakade av jonisation, och även om biomaterial i huvudsak består av atomer med låga atomnummer, bidrar atomer med höga atomnummer mer till strålskadorna än vad deras låga koncentration antyder pga. deras högre jonisationstvärsnitt. Som ett exempel orsakar den lilla mängden svavelatomer i människokroppen ungefär lika många primära jonisationer som kolatomerna vid fotonenergier över 2,5 keV. På atomär nivå utgörs de första stegen mot strålskador av snabba sönderfall av de röntgeninducerade hålen i djupa elektronskal, ofta i kaskader där både sekundära röntgenstrålar och elektroner sänds ut. De sönderfall där elektroner sänds ut, så kallade Auger-sönderfall, leder till bildandet av högt laddade positiva joner. Denna omfattande lokala jonisation på den låga femtosekundstidsskalan är viktig att förstå i samband med ”diffraction before destruction”, dvs. kristallografi på mikroskopiska prover som enstaka proteinmolekyler med korta röntgenpulser vid frielektronlasrar. På längre tidsskalor leder dessa processer till brytande av kemiska bindningar och bildning av radikaler, vilka förorsakar en stor del av strålskadorna i biologiska system. Sådana strålskador är en oönskad bieffekt vid medicinsk diagnostik, men har också tillämpningar, t.ex. vid strålbehandling av tumörer. Ett exempel på detta är användandet av Auger-emitterande radionuklider som 125I, och det har även demonstrerats att jonisation av djupa elektronskal i jod-innehållande föreningar som införts i tumörer är en potentiell framtida strålbehandlingsteknik.

I detta projekt kommer jag att undersöka dessa processer med hjälp av synkrotronstrålning, vilket först nu blivit möjligt för vattenlösningar i det relevanta fotonenergiområdet. För att studera olika aspekter av detta kommer jag inom projektet dra nytta av mitt omfattande internationella nätverk, vilket även inkluderar teoretisk modellering av processerna. Jag kommer att utforska de första stegen från röntgenstrålning till radikaler genom att mäta de utgående elektronerna samt de joner som bildas. Jag kommer att utforska sönderfallsdynamiken som följer på jonisation av djupa elektronskal i biologiskt relevanta joner och molekyler som innehåller atomer med höga atomnummer i vattenlösning. Att förstå denna dynamik på atomär nivå för biomolekyler i vatten är både mycket viktigt och utmanande. Jag kommer därför att börja med jämförande studier av enkla modellsystem i gasfas och lösning, för att sedan avancera mot mer komplexa system som biomolekyler i lösning. För det enklast möjliga systemet, isolerade atomer i gasfas, är endast lokala elektroniska sönderfallsprocesser möjliga. I vattenlösning öppnas nya icke-lokala sönderfallsprocesser, t.ex. kan elektroner från de omgivande vattenmolekylerna på olika sätt delta. Jag kommer att studera detta för viktiga inorganiska joner som t.ex. kalium, klor, kalcium, jod och järn. För en fri molekyl med samma atom inkluderar sönderfallsprocesserna även delokalisering av laddningarna och ändringar av geometrin p.g.a. att atomerna rör sig inbördes. Resultatet beror på förhållandet mellan tidsskalorna för de intramolekylära och intermolekylära processerna. Ett exempel på progressionen från enkla gasformiga modellsystem till komplexa biomolekyler i lösning är svavelinnehållande molekyler, där jag först kommer att studera små molekyler som H2S, HS-SH och CH3S-SCH3 i både gas och lösning, för att sedan gå vidare till den svavelinnehållande aminosyran cystein och dess dimer cystin. Denna serie av molekyler är extra intressant då svavel är den enda tyngre atomen i vanliga aminosyror, och S-S bindningen ingår i så kallade svavelbryggor, som är viktiga för att hålla ihop proteiners tredimensionella struktur.

Detta är ett utmanande projekt, som kombinerar två unga forskningsfält i dynamisk utveckling; studier av röntgeninducerad elektronisk- och atomär dynamik samt röntgenbaserade studier av lösta joner och molekyler. Projektet kommer att ge nya och unika inblickar i de ultrasnabba lokala intramolekylära processerna och de icke-lokala intermolekylära processerna, och hur förhållandet mellan deras tidsskalor påverkar hur den absorberade strålningsenergin dissiperas och molekyler påverkas, dvs. de första stegen från röntgenstrålning till radikaler.