tisková zpráva VŠCHT Praha
Výzkum vzešlý ze spolupráce vědců z VŠCHT Praha a z berlínského Helmholtzova centra pro materiály a energie odhalil vznik neočekávaných radikálů ve vodě působením rentgenového záření. Tyto radikály vznikají prostřednictvím doposud nepoznaného děje, kterým se voda zbavuje přebytečné energie. Objevený děj vrhá nové světlo na mechanismus poškození biologických molekul ionizujícím zářením. Výzkum by mohl vést k vývoji molekulárních „bomb“ určených k likvidaci nádorů.
Jedním z prvních objektů, na které nechal Wilhelm Conrad Röntgen působit své nově objevené paprsky X, byla jeho manželka. Röntgen v té chvíli nevěděl, jak moc jsou tyto paprsky pro živé organismy nebezpečné. Foton rentgenového záření má totiž ohromnou energii a z molekul dokáže vyrazit i vnitřní elektron, tedy elektron pohybující se v blízkosti atomového jádra. Následuje kaskáda dějů, které v organismech vedou až k rozpadu základních biologických molekul, jako jsou nukleové kyseliny. O podstatě toxicity rentgenového záření se ale i po více než 100 letech ví poměrně málo. Tým doc. Petra Slavíčka z Vysoké školy chemicko-technologické v Praze v úzké spolupráci s laboratoří dr. Bernda Wintera z berlínského synchrotronu nyní objevil doposud neznámý děj iniciovaný ve vodě rentgenovými paprsky. Výsledky jejich výzkumu byly otištěny v červencovém čísle prestižního časopisu Nature Chemistry.
Biologické molekuly jsou ionizujícím zářením poškozovány hlavně prostřednictvím vody. V ozářené vodě se vytváří řada radikálů a jiných reaktivních částic, které potom útočí na okolní molekuly. „Rentgenové fotony samozřejmě vyrážejí elektrony ze všech molekul, ale člověk je ze dvou třetin voda a ta jich proto schytá nejvíce,“ říká doc. Slavíček. Základní otázku je, jakým způsobem se molekula vody zbaví gigantické energie, kterou ji dodá rentgenový foton. Laboratoř dr. Wintera je jedním z mála míst, kde je možné účinky ionizujícího záření na kapalnou vodu sledovat na molekulární úrovni. „Potřebujete k tomu totiž synchrotron a také musíte umět z vody vytáhnout vznikající elektrony. Bernd Winter vyvíjí techniku kapalných mikrotrysek, díky které to zvládne,“ doplňuje Petr Slavíček. Měření na berlínském synchrotronu ukázala na výrazné rozdíly mezi běžnou vodou a vodou těžkou, ve které je jeden z vodíků nahrazen deuteriem (těžkým vodíkem, který má v atomovém jádře kromě protonu i jeden neutron). Petr Slavíček se svým kolegou dr. Milanem Ončákem pak na základě kvantově-mechanických simulací ukázali, že v kapalné vodě dochází po vyražení vnitřního elektronu k extrémně rychlé výměně protonů mezi sousedními molekulami vody. Tato výměna je rychlejší u vody normální než u vody těžké. Přebytečnou energii odnese elektron, který je vypuzen z fragmentu, který z molekuly vody vzniknul odštěpením protonu.
Výsledky jsou to dosti překvapivé. Až do nedávné doby se totiž předpokládalo, že molekula obsahující velké množství energie vzniklá po ozáření Rentgenovým zářením se přebytečné energie zbavuje sama. Práce německo-českého týmu naproti tomu ukazuje, že sousední molekuly vody si mezi sebou vyměňují energii, náboj i atomy. Děje se tak s neuvěřitelnou rychlostí několika femtosekund (1 femtosekunda je 10 na -15 s, tedy miliontina miliardtiny sekundy). Výsledkem je vznik jiných reaktivních částic, než se doposud přepokládalo. Tyto částice pak reagují s biologicky významnými molekulami a ničí je.
Výsledky mohou mít i praktické využití. „Pokud ovládneme přenos energie mezi sousedními molekulami, můžeme „odpálit“ energetickou nálož v blízkosti struktur, které chceme zničit, například rakovinných buněk,“ naznačuje doc. Slavíček. Rentgenové záření je pro „dálkové ovládání odpalu“ velmi vhodné, snadno totiž proniká tkáněmi a přitom je možné působit selektivně na jednotlivé atomy. Není to ale jediná aplikace, z inženýrského hlediska je porozumění účinkům Rentgenového záření na vodu důležité například k pochopení fungování jaderných elektráren za provozních podmínek.
Původní práce:
On the Nature and Origin of a Reactive Molecular Species Formed in Liquid Water upon X-ray Irradiation S. Thürmer, M. Ončák, N. Ottosson, R. Seidel, U. Hergenhahn, S. E. Bradforth, P. Slavíček*, B. Winter*, 5, 590 (2013).
