EMR-studie van stralingsdefecten in modelsystemen voor DNA

Groep: EMR

Promotoren: prof. Freddy Callens en prof. Henk Vrielinck

Begeleiding: prof. Henk Vrielinck

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contact-gegevens opvragen door op de naam te klikken)

Trefwoorden :

Atoom- en molecuulfysica, biomoleculen, ioniserende straling, radicalen, magnetische resonantie spectroscopie

Probleemstelling :

Wanneer biomoleculen aan ioniserende straling worden blootgesteld, worden er defecten met ongepaarde elektronen, ook radicalen genoemd, in gecreëerd. Die kunnen met behulp van Elektronen Magnetische Resonantie (EMR) technieken gekarakteriseerd worden. De basistechniek in EMR is Elektronen Paramagnetische Resonantie (EPR): via microgolven worden overgangen geïnduceerd tussen elektronspinniveaus die worden opgesplitst met behulp van een magnetisch veld (Zeemaneffect). De EPR-signaalintensiteit geeft hierbij informatie over het aantal radicalen, zodat sommige biomoleculen als stralingsdosimeter kunnen worden gebruikt (bv. alanine en sucrose). Daarnaast kan men met Elektronen Nucleaire Dubbele Resonantie (ENDOR), een techniek van EPR afgeleid, gedetailleerde informatie bekomen over de moleculaire structuur van de radicalen. Door de studie van eenvoudige modelsystemen zoals aminozuren en suikers proberen we de stralingsschade in biologisch relevante systemen (zoals bv. DNA en proteïnen) beter te begrijpen. Van de modelsystemen is het vaak mogelijk éénkristallen te groeien en relatief eenvoudig om de ongerepte moleculaire structuur nauwkeurig te bepalen (bv. via X-stralen of neutronendiffractie). Bij éénkristallen zijn EMR-technieken op hun best om de structuur van radicalen te bepalen. Voor sommige stoffen is het echter heel moeilijk om grote éénkristallen te synthetiseren. Veldafhankelijke ENDOR metingen op poeders laten echter ook toe de hoekafhankelijkheid van de spectra te reconstrueren, via het zogenaamde oriëntatieselectieprincipe. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 1 voor stabiele radicalen in het aminozuur alanine. In grote biomoleculen, maar ook reeds in de modelsystemen, zijn veel denkbare radicaalmodellen a priori mogelijk (bv. radicalen ontstaan door H-abstractie, deaminatie, decarboxylatie, ringbreking, ...). Toch worden bepaalde radicaalcentra preferentieel gevormd op bepaalde posities in de molecule,  hoewel die chemisch equivalent lijken aan andere posities.

Doelstelling:

Het doel van deze thesis is het uitvoeren en interpreteren van EMR-metingen (EPR, ENDOR en ENDOR-induced EPR) op bestraalde éénkristallen en poeders van suikers die als modelsysteem kunnen dienen voor DNA. De studie zal zich in de eerste plaats richten op ribose en glucose. Een deel van de metingen zal cryogene temperaturen (vloeibare He en/of N2) moeten gebeuren. Uit de experimentele EMR-spectra zullen via simulaties de zogenaamde spin-Hamiltoniaan parameters (bv. de g- en hyperfijntensoren) afgeleid worden die in verband staan met de elektronische en geometrische structuur van het radicaal. Kwantumchemische berekeningen (bv. met dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT)) kunnen ondersteuning bieden bij het achterhalen van radicaalmodellen.

Er zijn geen modaliteiten voor mobiliteit.

emr2a

Figuur 1: Poeder EPR spectrum (boven) en veldafhankelijkheid van het poeder ENDOR spectrum van stabiele radicalen geproduceerd door X-stralen in alanine. Meettemperatuur: 50K, Microgolffrequentie: 34.0 GHz (Q-band)
Figuur 1: Poeder EPR spectrum (boven) en veldafhankelijkheid van het poeder ENDOR spectrum van stabiele radicalen geproduceerd door X-stralen in alanine. Meettemperatuur: 50K, Microgolffrequentie: 34.0 GHz (Q-band)

Bronvermelding: J. Kusakovskij, K. Maes, F. Callens, and H. Vrielinck, “ENDOR-Induced EPR of Disordered Systems: Application to X‑Irradiated Alanine”, Journal of Physical Chemistry A (2018, in press)