Untersuchung der Dynamik von Thionukleobasen mittels Abfrage an der Schwefel L-Kante

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Gühr; Professor Dr. Peter Saalfrank
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445713302

Dieses experimentell-theoretische Projekt will tiefere Einblicke in UV-induzierte Photorelaxationsprozesse isolierter thiolierter Nukleobasen schaffen. Wir schlagen dazu die Nutzung ultraschneller Röntgenspektroskopie an der Schwefel-L-Kante vor, um röntgentypische Element- und die Ortsselektivität zu nutzen.Thionukleobasen sind eine wichtige Klasse von modifizierten Nukleobasen, die sowohl als Medikament als auch im Kontext der Grundlagen- und angewandten Forschung eine wichtige Rolle spielen. Die UV-Photoanregung dieser Moleküle führt zu langlebigen Triplettzuständen, die in Organismen für ‚cross-linking‘ und die Bildung von reaktivem Singulett-Sauerstoff verantwortlich sind. Diese Eigenschaften führen einerseits zu einem erhöhten Hautkrebsrisiko für mit Thionukleobasen behandelte Patienten, andererseits können sie den Weg für eine gezielte photoinduzierte Tumortherapie ebnen.Wir wollen den Relaxationspfad vom anfänglich angeregten Singulett-ππ * Zustand über die Singulett-nπ * in die Triplett-Zustände für verschiedene Thiourazile sowie Thiothymine beobachten. Der Singulett-nπ * -Zustand ist als das ‚Tor‘ zu Triplett-Zuständen akzeptiert. Details der Prozesse sind Gegenstand einer aktiven Debatte.Wir haben bereits zeitaufgelöste resonante Röntgenabsorptionsspektroskopie und Auger-Spektroskopie an kanonischen Nukleobasen verwendet, um diese Abfragemethoden im weichen Röntgenbereich für Gasphasentargets zu etablieren. Diese Erfahrung wollen wir auf Thionukleobasen übertragen.Wir werden zunächst Röntgenabsorptions-, Photoelektronen- als auch Augerelektronenspektren an den L1 und L2,3 Kanten experimentell und theoretisch untersuchen. Basierend darauf werden wir die zeitaufgelöste, nichtresonante Auger-Spektroskopie zur Bestimmung einer vorhergesagten C-S-Bindungsverlängerung durchführen. Wir haben bereits am ‚Freien Elektronen Laser‘ FLASH erste vielversprechende experimentelle Voruntersuchungen zu UV-angeregtem 2-Thiouracil durchgeführt.Wir werden an der Vorhersage von S 2 - und 2p-Rumpfabsorptionsspektren für Thionukleobasen in verschiedenen elektronischen Zuständen und wichtigen Molekülgeometrien mit und ohne UV-Voranregung arbeiten. Ausgewählte Geometrien werden durch stationäre quantenchemische Methoden und auch „on the fly“ durch nicht-adiabatische Dynamiksimulationen einschließlich Spin-Bahn-Kopplung identifiziert. Die Berechnung von (Pump-Probe-) Röntgenabsorptionsspektren erfolgt mit einer neu entwickelten, effizienten Übergangspotentialmethode, die auf der Dichtefunktionaltheorie basiert. Vorläufige Studien mit UV-angeregtem 2-Thiouracil sagen ein ‚pre-edge‘ Maximum voraus, ähnlich zu Thymin. Diese Simulationen helfen bei der Interpretation und leiten die Experimente, um über Intensität, Bandenposition und Polarisationsabhängigkeit der Spektren mehr über die Photorelaxation zu lernen. Unser Ziel ist eine gemeinsame theoretisch-experimentelle Studie mit einer kompletten zeitabhängigen Simulation der Röntgenabsorption.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen