Abstract English

The topic of natural and artificial irradiation of biological systems is comprehensive and involves processes of different natures and timescales starting from the physical stage in < 10-16 sec up to the biological stage lasting up to months and longer. The physical stage involves interactions of the primary energetic ionizing radiation with biomolecular cell compounds leading to the formation of secondary species like electrons, ions and neutral radicals. Thereby electrons with a maximum kinetic energy of few tens of eV are important due to their formation as very abundant secondary species in the irradiation of cellular compounds. They loose their kinetic energy in a series of inelastic collisions before they thermalize and finally reach the hydrated stage. In the present proposal we will investigate the damaging effect of such electrons with kinetic energies up to 50 eV in the interaction with complex DNA building blocks like nucleosides and nucleotides which are surrounded by water molecules. In general, electron ionization at electron energies above the ionization threshold is a ´hard´ ionization process leading often to substantial fragmentation when an ionized molecule is isolated in the gas phase. By the hydration of the DNA compounds we achieve here a more realistic environment than the isolated situation. The aim is to unravel if hydration can buffer electron induced fragmentation of DNA building blocks by fast energy dissipation. Our intention is to study biomolecules with a known specific grade of hydration which will be achieved by mass selection of the electrospray-ionization generated biomolecule-water ions before the electron collision.

In the second of the part project we will then use electrons with kinetic energies below the ionization threshold where an electron can attach to a molecule leading to a transient negative ion state. The latter may decay by emission of the captured electron but also undergo dissociation of the molecule. Severe DNA damage like strand breaks was shown to occur when a film of plasmid DNA was irradiated by low energy electrons. The underlying molecular reaction pathway to a strand break is still not fully understood; however there exist few theoretical predictions to be experimentally verified. Here we will explore electron attachment to nucleotides as a function of the electron energy and monitor any charged reaction product formed. Using a double focusing mass spectrometer for mass selection of the fragment anions formed we will elucidate the efficiency of sugar-phosphate bond cleavage which corresponds to a strand break.

Abstract German

Die Auswirkungen der Bestrahlung von biologischem Gewebe sind sehr umfassend und beinhalten Prozesse von verschiedenster Natur, die in unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen. Während zum Beispiel physikalische Prozesse wie die Wechselwirkung der Primärstrahlung mit Zellgewebe in <10-16 sec stattfinden, dauern Prozesse auf der biologischen Stufe bis zu Monate oder länger (beispielsweise der Wachstum von Tumoren). Die Primärstrahlung setzt durch die Wechselwirkung mit Zellkomponenten große Mengen von sekundären Teichen frei (Elektronen, Ionen und neutrale Radikale). Dabei spielen Sekundärelektronen mit einer maximalen kinetischen Energie von ca. einigen 10 eV aufgrund ihrer Häufigkeit eine sehr wichtige Rolle. Sekundärelektronen verlieren in einer Serie von inleastischen Streuprozessen ihre kinetische Energie bevor sie thermalisieren und mit im Zellgewebe vorhandenem Wasser einen gebundenen Zustand eingehen. In diesem Projekt werden wir den schädigenden Effekt von Elektronen mit kinetischen Energien von bis zu 50 eV in der Wechselwirkung mit komplexen DNA Bausteinen wie Nukleosiden und Nukleotiden, die von Wassermolekülen umgeben sind, untersuchen. Allgemein wird die Elektronenionisation als „harte“ Ionisierungsmethode bezeichnet, da bei der Ionisierung eines isolierten Moleküls in der Gasphase häufig eine starke Fragmentierung auftritt. Unser Ziel ist herauszufinden, ob durch die Hydratisierung eine durch Elektronenstoß induzierte Fragmentierung von DNA Bausteinen durch eine rasche Energieabgabe an Wassermoleküle abgeschwächt werden kann. Dabei stellt sich die Frage welcher Grad der Hydratisierung für diesen Effekt benötigt wird. Durch eine Massentrennung der mittels Elektrospray erzeugten hydratisierten Biomolekülionen vor dem Elektronenstoß kann dieser hier bestimmt werden.

Im zweiten Teil des Projektes verwenden wir Elektronen mit kinetischen Energien unterhalb der Ionisierungsschwelle, d.h. Elektronen können sich an Moleküle anlagern und temporäre negative Ionen bilden. Diese Anionen können durch Emission des Überschusselektrons wieder zerfallen; das Molekül kann aber auch dissoziieren. In einem früheren Experiment wurde eine schwerwiegende Schädigung eines Plasmid-DNA Films in Form von DNA-Strangbrüchen bei Bestrahlung mit niederenergetischen Elektronen festgestellt. Der Schädigungsprozess auf der molekularen Ebene ist bis heute noch nicht vollständig geklärt, wobei es aber einige theoretische Vorhersagen gibt, die experimentell zu verifizieren sind. Hier werden wir Elektronenanlagerung an Nukleotide als Funktion der kinetischen Energie der Elektronen untersuchen und die gebildeten Anionen detektieren. Durch eine Massenselektion mit einem doppelfokussierenden Massenspektrometer lässt sich dabei feststellen, mit welcher Effizienz die Bindung zwischen der Zucker- und Phosphateinheit im Nukleotid gebrochen wird, was dem Bruch eines DNA-Strangs gleichzusetzen ist.