[논문 리뷰] Water is a radiation protection agent for ionised pyrrole

Melby Johny, Constant A. Schouder외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Biofield Effects and Biophysics인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 한 개의 물 분자가 수소 결합을 통해 양이온 종류의 피롤을 안정화시켜 분해를 줄이며 방사선 손상으로부터 보호하는 역할을 한다고 밝힌다. 실험 결과, 순수한 피롤+에 비해 피롤(H2O)+의 고리 분해 확률이 5.17배 감소하여 방사선 손상으로부터 강력한 보호 효과를 보임을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이온화된 생분자들이 방사선에 의해 분해되는 것을 억제하는 수화의 역할을 조사하는 것.
• 단일 물 분자가 분자 간 상호작용을 통해 이온화된 피롤을 안정화시킬 수 있는지 확인하는 것.
• 외부 가 valence 이온화 후 용매화된 피롤 양이온에서 지배적인 에너지 릴랙세이션 경로를 규명하는 것.
• 명확하게 정의된 고립된 클러스터 환경에서 물이 제공하는 방사선 보호 정도를 정량화하는 것.
• 제어된 이온화 조건을 갖춘 질량 선택된 고립 클러스터를 사용하여 이전 연구에서의 모호함을 해결하는 것.

제안 방법

• 레이저 기반 이온화 소스를 사용하여 고립된 피롤 및 피롤(H2O) 클러스터의 외부 가 valence 이온화를 수행하는 것.
• 이온 수율 및 분해 생성물 분포를 측정하기 위해 타임오브플라잇 질량 분석법과 Timepix3 검출기를 사용하는 것.
• 이온 탐지에서 고공간 해상도 및 고시간 해상도를 확보하기 위해 속도-맵 이미징(VMI) 조건을 적용하는 것.
• 모체 이온 탐지에서 검출기 포화 효과를 보정하기 위해 포isson 통계를 적용하는 것.
• 검출 효율성 검증 및 死시간 효과 보정을 위해 이소토프롤로프 피크 강도를 분석하는 것.
• 모체 이온 탐지에서의 분해 수율을 순수한 피롤+와 피롤(H2O)+ 간에 정량적으로 비교하여 보호 계수를 도출하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수화는 이온화된 피롤의 분해 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 외부 가 valence 이온화 후 피롤(H2O)+에서 지배적인 에너지 릴랙세이션 경로는 무엇인가?
• RQ3 단일 물 분자가 이온화된 피롤의 고리 분해 확률을 현저하게 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 피롤과 물 사이의 수소 결합은 전자 또는 수소 이온 이동을 통해 양이온을 안정화시키는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 검출기 포화 효과는 측정된 이온 수율에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 보정할 수 있는가?

주요 결과

• 순수한 피롤+의 고리 분해 확률은 3.273로 측정되어 방사선 손상에 매우 취약함을 나타낸다.
• 피롤(H2O)+의 경우 고리 분해 확률은 16.912로 감소하여 안정성이 5.17배 향상됨을 나타낸다.
• 포isson 통계를 사용한 검출기 포화 보정 후 도출된 보호 계수는 5.17이다.
• 피롤(H2O)+에서의 분해는 주로 중성 물 분자의 이온화 분해 또는 수소 결합을 통해 전자/수소 이온 이동을 통해 발생한다.
• 이소토프롤로프 피크 분석을 통해 검출 효율성이 확인되었으며, 보정 모델의 타당성이 검증되었으며, C13 피크 강도는 이론적 예측과 일치하였다.
• 이 연구는 고립된 생분자 클러스터에서 단일 물 분자가 방사선 보호제로 작용할 수 있음을 직접적인 실험적 증거로 제시한다.