凭借世界上最强大的X射线激光器的帮助，研究团队取得了一项重要突破：以药物活性物质2-硫尿嘧啶为例，他们将一种长期建立的成像技术应用于复杂分子。尽管2-硫尿嘧啶不再用于治疗，但它属于一组化学性质相似的活性物质，今天用于免疫抑制剂或细胞抑制剂。这项研究表明，紫外辐射使2-硫尿嘧啶变形，使其具有危险的反应性。
许多生物学上重要的分子在紫外辐射的刺激下会改变形状。尽管这一特性在某些药物中也可以找到，但尚未得到充分理解。利用一种创新的技术，一个国际团队，包括来自法兰克福歌德大学、舍讷费尔德的欧洲XFEL和汉堡的德意志电子同步辐射中心DESY的研究人员，阐明了这一超快过程，并借助X射线光将其以慢动作呈现。这种方法为分析许多其他分子开辟了令人兴奋的新途径。
“我们研究了2-硫尿嘧啶，这是一种基于某些DNA构建块，即核苷酸的药物活性物质，”该研究的最后作者、DESY自由电子激光FLASH的负责人以及汉堡大学化学教授Markus Gühr说。2-硫尿嘧啶及其化学相关的活性物质含有一个硫原子，赋予这些分子其不寻常的医学相关特性。“另一个特别之处在于，当这些分子暴露于紫外辐射时，会变得危险反应性。”研究表明，这种效应增加了皮肤癌的风险。
为了更好地理解这些过程中发生了什么，研究小组使用了一种已被很好建立的方法，通过应用今天可用的技术可能性将其提升到一个新水平。“库仑爆炸成像涉及用强烈的X射线脉冲照射分子，以轰击出电子，”法兰克福歌德大学实验原子与分子物理学教授及该研究第一作者Till Jahnke解释道。“从而，分子带上正电荷并变得不稳定，在几分之一秒内被撕裂。”通过跟踪分子的不同碎片—原子的飞散方向，可以推导出与分子结构有关的信息。
迄今为止，库仑爆炸成像仅对非常简单的分子产生有用结果。通过在歌德大学专门开发的实验装置，研究团队现在将该技术与世界上最强大的X射线激光器欧洲XFEL相结合，使用EuXFEL的SQS（“小量子系统”）科学仪器。“这项实验在许多方面都是技术创新，它构成了SQS仪器可用的实验可能性的重要扩展。这是首次能够将这些成像技术应用于生物学和医学相关分子，而不仅仅是用于基础物理研究，”SQS仪器负责人Michael Meyer谈到这一成功的实验时说道。
欧洲XFEL的超强X射线脉冲使得对该分子进行破碎成为可能，从而对其结构进行分析。研究人员通过细小的气体喷嘴将分子送入X射线激光束，这意味着每次仅照射单个、孤立的分子。一个额外的紫外脉冲在X射线脉冲前不久被照射，用于激励分子。
“通过改变两个脉冲之间的时间间隔，可以获得类似于慢动作电影的效果，展示这些在100-1000飞秒内发生的过程，这比百万分之一的百万分之一的秒还要短，”Jahnke解释道。在过程结束时，一个复杂的探测器记录了2-硫尿嘧啶的不同原子的撞击点和时间。
实验揭示了两个重要发现，第一个发现涉及2-硫尿嘧啶：紫外辐射导致这个原本平坦的分子弯曲，从而使硫原子突出。这个状态在相对较长的时间内是稳定的；它确保了分子变得非常反应性，并可能导致皮肤癌。“这也是与普通核苷酸的显著区别，虽然它们在结构上非常相似，但没有硫原子，”Gühr说。“相反，它们有应对紫外辐射的机制，并最终通过各种激发和振荡状态将其转化为无害的热量。”就2-硫尿嘧啶而言，硫原子阻止了这种转化。
“第二个发现与实验技术本身有关，”Jahnke说。“正如我们所看到的，我们不需要通过探测器追踪所有原子来重建分子及其结构变化。在这种情况下，我们所需要的只是测量硫和氧原子以及四个氢核，而六个碳原子可以忽略不计。”这一发现将显著简化未来针对更复杂分子的测量，并清晰地说明了这一创新方法的巨大可能性。
