Instantâneo de raios X: Como a luz dobra um ingrediente ativo
Uma técnica de imagiologia estabelecida há décadas aplicada pela primeira vez a moléculas complexas
Com a ajuda do laser de raios X mais potente do mundo, o European XFEL, uma equipa de investigação liderada pela Universidade Goethe e pelo centro de investigação DESY conseguiu um importante avanço: utilizando o exemplo do ingrediente ativo 2-tiouracil, a equipa de investigação aplicou pela primeira vez a moléculas complexas uma técnica de imagiologia estabelecida há décadas. Embora o 2-tiouracil já não seja utilizado para fins terapêuticos, pertence a um grupo de substâncias activas quimicamente semelhantes que são atualmente utilizadas como imunossupressores ou citostáticos. O estudo mostra como a radiação UV deforma o 2-tiouracilo, tornando-o perigosamente reativo.
O microscópio de reação COLTRIMS no instrumento SQS. Este foi utilizado para analisar as alterações estruturais da molécula de 2-tiouracilo no XFEL europeu.
European XFEL
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.
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Publicação original
Till Jahnke, Sebastian Mai, Surjendu Bhattacharyya, Keyu Chen, Rebecca Boll, Maria Elena Castellani, Simon Dold, Ulrike Frühling, Alice E. Green, Markus Ilchen, ... Anbu Selvam Venkatachalam, Artem Rudenko, Daniel Rolles, Michael Meyer, Heide Ibrahim, Markus Gühr; "Direct observation of ultrafast symmetry reduction during internal conversion of 2-thiouracil using Coulomb explosion imaging"; Nature Communications, Volume 16, 2025-2-28
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