[論文レビュー] Water is a radiation protection agent for ionised pyrrole

Melby Johny, Constant A. Schouder+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Biofield Effects and Biophysics被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、1つの水分子が水素結合を通じてカチオン種を安定化させることで、イオン化されたピルロールに対する放射線被害を防ぐ役割を果たすことが示された。これは、プロトンまたは電子移動によるフラグメンテーションを低減する。実験結果から、ピルロール(H₂O)⁺では、純粋なピルロール⁺と比較して、環のフラグメンテーション確率が5.17倍低減しており、放射線損傷に対する強い保護効果が示された。

ABSTRACT

Radiation-induced damage of biological matter is an ubiquitous problem in nature. The influence of the hydration environment is widely discussed, but its exact role remains elusive. We present the experimental observation of a hydrogen-bonded water molecule acting as a radiation protection agent for ionized pyrrole, a prototypical aromatic biomolecule. Pure samples of pyrrole and pyrrole(H$_2$O) were outer-valence ionized and the subsequent damage and relaxation processes were studied. Bare pyrrole fragmented through the breaking of the C-C or N-C covalent bonds. However, for pyrrole(H$_2$O), we observed a strong protection of the pyrrole ring through the dissociative release of neutral water or by transferring an electron or proton across the hydrogen bond. Furthermore, for pyrrole(H$_2$O) a smaller probability for double ionization was observed. Overall, a single water molecule strongly reduces the fragmentation probability and thus the persistent radiation damage of ionized pyrrole.

研究の動機と目的

• イオン化されたバイオ分子が放射線によって引き起こされるフラグメンテーションから保護されるメカニズムとしての水和の役割を調査すること。
• 1つの水分子が分子間相互作用を通じてイオン化ピルロールを安定化させられるかどうかを特定すること。
• 外殻価電子イオン化後の溶媒和ピルロールカチオンにおける主要な緩和経路を同定すること。
• 明確に定義された孤立クラスター環境における水が提供する放射線保護の程度を定量化すること。
• 制御されたイオン化条件下での質量選別された明確に定義されたクラスターを用いることで、以前の研究における曖昧さを解消すること。

提案手法

• レーザーを用いたイオン化源を用いて、孤立したピルロールおよびピルロール(H₂O)クラスターの外殻価電子イオン化を実施した。
• 時間飛行質量分析法にTimepix3検出器を組み合わせ、イオン生成量およびフラグメンテーション分布を測定した。
• イオン検出における空間的・時間的高分解能を達成するため、速度マップイメージング(VMI)条件を適用した。
• 母体イオン検出における検出器の過充填効果を補正するために、ポisson的統計を適用した。
• 死時間効果の補正および検出効率の妥当性を検証するため、同位体置換体ピーク強度の分析を実施した。
• 母体イオンとフラグメンテーション生成物の生成量を定量的比較することで、保護係数を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水和はイオン化ピルロールのフラグメンテーションダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ2 外殻価電子イオン化後のピルロール(H₂O)⁺における主要な緩和経路は何か？
• RQ3 1つの水分子がイオン化ピルロールにおける環のフラグメンテーション確率を顕著に低減できるか？
• RQ4 ピルロールと水の間の水素結合は、電子またはプロトン移動を介してカチオンを安定化させるメカニズムとしてどのように機能するか？
• RQ5 検出器の過充填効果は測定されたイオン生成量にどのように影響するか？また、それらはどのように補正できるか？

主な発見

• 純粋なピルロール⁺における環のフラグメンテーション確率は3.273と測定され、放射線損傷に対して極めて感受性が高いことが示された。
• ピルロール(H₂O)⁺では、環のフラグメンテーション確率が16.912に低下し、安定性が5.17倍向上していることが示された。
• ポisson的統計を用いた検出器の過充填補正を経て、保護係数5.17が得られた。
• ピルロール(H₂O)⁺におけるフラグメンテーションは、主に中性水の解離的放出、または水素結合を介したプロトン／電子移動によって進行する。
• 同位体置換体ピークの分析により、検出効率が確認され、補正モデルの妥当性が検証された。C13ピーク強度は理論的予測と整合的であった。
• 本研究は、孤立したバイオ分子クラスターにおいて、1つの水分子が放射線保護剤として機能できることを直接的な実験的証拠で示した。