Instantâneo de raios X: Como a luz dobra um ingrediente ativo

Muitas moléculas biologicamente importantes alteram a sua forma quando são estimuladas pela radiação UV, por exemplo. Este fenómeno afecta também alguns medicamentos e, até à data, ainda não foi bem compreendido. Graças a uma técnica inovadora, uma equipa internacional que envolveu a Universidade Goethe de Frankfurt, o European XFEL em Schenefeld e o German Electron Synchrotron DESY em Hamburgo, decompôs um processo tão rápido como um relâmpago e visualizou-o em câmara lenta, por assim dizer, com a ajuda da luz de raios X. Este método abre possibilidades de investigação interessantes para muitas outras moléculas.

"Investigámos a molécula 2-tiouracil, que pertence a um grupo de substâncias activas baseadas em certos blocos de construção do ADN, as nucleobases", diz o último autor do estudo, Markus Gühr, diretor científico do laser de electrões livres FLASH no DESY e professor de Química na Universidade de Hamburgo. Tal como as suas substâncias activas quimicamente relacionadas, o 2-tiouracil tem um átomo de enxofre. Este facto confere à molécula as suas propriedades invulgares e relevantes do ponto de vista médico. "Mas há outra caraterística especial, porque estas moléculas tornam-se perigosamente reactivas quando expostas à radiação UV". Estudos demonstraram um aumento do risco de cancro da pele devido a este efeito.

Para compreender melhor o que acontece durante estes processos, a equipa de investigação utilizou um método mais antigo e elevou-o a um novo nível com as possibilidades técnicas disponíveis atualmente. "A imagem da explosão de Coulomb envolve a irradiação de uma molécula com intensos impulsos de raios X, que eliminam os electrões", explica Till Jahnke, professor de Física Experimental Atómica e Molecular na Universidade Goethe e principal autor do estudo. "Isto torna a molécula extremamente carregada positivamente e instável, pelo que se desfaz em fracções de segundo". Ao seguir a direção em que os vários fragmentos da molécula - ou seja, os átomos - se separam, é possível deduzir informações sobre a estrutura da molécula.

Até agora, a imagem da explosão de Coulomb só tinha dado resultados úteis para moléculas muito simples. A equipa de investigação combinou agora esta técnica na estação experimental SQS ("Small Quantum Systems") do laser de raios X mais potente do mundo, o XFEL europeu, com uma instalação experimental especialmente desenvolvida na Universidade Goethe. "Esta experiência constitui uma inovação técnica em muitos aspectos e uma importante expansão das possibilidades experimentais do instrumento SQS. Pela primeira vez, estas técnicas de imagiologia podem ser utilizadas numa molécula biológica e medicamente relevante, e não apenas na investigação física fundamental", afirma Michael Meyer, Diretor da Estação Experimental SQS, satisfeito com o êxito da experiência.

Graças aos impulsos de raios X extremamente potentes do XFEL europeu, esta molécula de maiores dimensões pôde também ser "esmigalhada" e a sua estrutura analisada. Os investigadores enviaram as moléculas para o feixe do laser de raios X utilizando um bocal de gás fino, de modo a que apenas fossem irradiadas moléculas individuais de cada vez. Um impulso UV adicional, emitido pouco antes do impulso de raios X, foi utilizado para excitar as moléculas.

"E variando o intervalo de tempo entre os dois impulsos, é possível obter algo como um filme em câmara lenta destes processos, que se desenrolam com extrema rapidez em 100 a 1000 femtossegundos, ou seja, em menos de um milionésimo de milionésimo de segundo", explica Jahnke. Um detetor sofisticado registou finalmente os pontos de impacto dos vários átomos de 2-tiouracilo.

A experiência revelou duas descobertas importantes. A primeira diz respeito ao 2-tiouracil: quando excitada pela radiação UV, esta molécula, que de outra forma seria plana, dobra-se de modo a que o átomo de enxofre fique saliente. Este estado é estável durante muito tempo. A molécula torna-se muito reactiva e pode causar cancro da pele, entre outras coisas. "Esta é também uma diferença significativa em relação às nucleobases comuns, que são estruturalmente muito semelhantes, mas não têm um átomo de enxofre", diz Gühr. "Estas têm um mecanismo para lidar com a radiação UV e, em última análise, convertê-la em calor inofensivo através de vários estados de excitação e oscilação." No caso do 2-tiouracil, o átomo de enxofre impede essa conversão.

"A segunda constatação está relacionada com a própria técnica experimental", diz Jahnke. "Como vimos, não é necessário detetar todos os átomos do detetor para reconstruir a molécula e a sua mudança. Neste caso, foi suficiente medir os átomos de enxofre e de oxigénio, bem como os quatro núcleos de hidrogénio; os seis átomos de carbono não são necessários." Este facto simplificará significativamente as medições para futuras investigações sobre moléculas ainda mais complexas e demonstra o enorme potencial deste método inovador.