0766 theo dõi quá trình tautome dạng imino amino của cytosine bằng laser xung cực ngắn sử dụng cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao

Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Nguyễn Thị Hiền tgk THEO DÕI QUÁ TRÌNH TAUTOME DẠNG IMINO-AMINO CỦA CYTOSINE BẰNG LASER XUNG CỰC NGẮN SỬ DỤNG CƠ CHẾ PHÁT XẠ SĨNG HÀI BẬC CAO NGUYỄN THỊ HIỀN*, HỒNG VĂN HƯNG**, HỒNG ĐỖ NGỌC TRẦM***, LÊ VĂN HỒNG**** TĨM TẮT Bằng tính tốn lí thuyết mơ chúng tơi khả theo dõi trình tautome cytosine laser xung cực ngắn sử dụng chế phát xạ sóng hài bậc cao Phân tích phổ sóng hài bậc cao phát phân tử cytosine dạng khí tương tác với laser xung cực ngắn cho thấy phụ thuộc vào góc định phương phân tử khác cho hai trường hợp cytosine trạng thái imino trạng thái amino Tiếp theo, tính phổ sóng hài bậc cao phát cytosine trình tautome thu kết bất ngờ thú vị Cường độ sóng hài có cực đại gần trạng thái cân (imino amino) trạng thái chuyển tiếp Phát cơng cụ hữu ích cho việc theo dõi trình tautome cytosine, nguyên nhân gây đột biến gen Từ khóa: q trình tautome dạng amino-imino, cytosine, sở DNA, sóng hài bậc cao, laser xung cực ngắn ABSTRACT Tracking imino-amino tautomerism of cytosine by ultra-short laser pulses using high-order harmonic generation By theoretical calculations and simulation methods we show the possibility of tracking the tautomerism of cytosine by ultra-short laser pulses using high-order harmonic generation By analyzing the calculated high-order harmonic spectra emitted while a cytosine molecule in gas phase interacts with ultra-short laser pulses we show that the dependence on the molecular alignment is quite different for two cases whether cytosine is in the either imino or amino states This may serve to distinguish the imino/amino states of cytosine by ultra-short laser pulses Next, by calculating high-order harmonic spectra emitted by cytosine while being along the chemical reaction path of the tautomerism we obtain surprising and interesting results The high-order harmonic spectra have intensity peaks nearby the stable states (imino and amino) as well as the transition state This finding may be a useful tool for tracking the tautomerism, one of reasons for gene mutation Keywords: amino-imino tautomerism, cytosine, DNA base, high-order harmonic generation, ultra-short laser pulses * ThS, Đại học Tây Nguyên ** CN, Trường Đại học Sư phạm TPHCM *** **** ThS, Trường Đại học Sư phạm TPHCM PGS TSKH, Trường Đại học Sư phạm TPHCM 1 Giới thiệu Nhờ vào tiến nhanh chóng kĩ thuật tạo xung laser cực ngắn năm gần đây, vật lí học thang thời gian femto giây trở ngành khoa học độc lập, mở triển vọng lớn để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử phân tử chụp ảnh cho q trình hóa học sinh học [1] Trong năm gần đây, sóng hài bậc cao [2] quan tâm nghiên cứu từ dẫn đến phương pháp để tách thông tin cấu trúc động học phân tử với độ phân giải thang thời gian femto giây Một thành tựu to lớn hướng nghiên cứu phải kể đến cơng trình chụp ảnh cắt lớp hàm sóng ngồi (HOMO) phân tử ni-tơ từ phổ sóng hài bậc cao [3] Kết xác nhận lại tính tốn lí thuyết, mơ thực nghiệm [4, 5] Một kết quan trọng khác việc tìm giao thoa điện tử phổ sóng hài phát xạ từ phân tử hai tâm H2 + [6] dẫn đến phương pháp việc trích xuất thơng tin khoảng cách liên hạt nhân laser xung cực ngắn Ngồi ra, phương pháp vịng lặp để thu lại thông tin khoảng cách liên hạt nhân dựa nhạy phổ sóng từ thay đổi thông số cấu trúc phân tử trình bày [7] Tìm kiếm khả theo dõi trình động học phân tử, phản ứng hóa học, q trình sinh học laser xung cực ngắn chế phát xạ sóng hài bậc cao có ý nghĩa quan trọng việc trích xuất thông tin cấu trúc động học phân tử Tuy nhiên, có nhiều vấn đề đặt địi hỏi nỗ lực nghiên cứu Trong cơng trình gần [8], sử dụng phương pháp mô nhận thấy cường độ HHG phát xạ trình chuyển đồng phân từ HCN sang HNC ngược lại đạt cực đại trạng thái cân (các đồng phân) Kết tương tự cho trình đồng phân hóa acetylene/vinylidene trình bày Việc cường độ HHG đạt cực đại trạng thái cân phân tử phát thú vị theo quan điểm phương pháp cho việc theo dõi trình động học phân tử Vì vậy, việc phát triển kết cho trình phức tạp chẳng hạn trình tautome sở DNA có ý nghĩa Như biết, DNA phân tử mang thông tin di truyền tất dạng sinh vật sống Trong phân tử DNA có bốn loại sở: adenine, cytosine, thymine, guanine Mỗi sở thường tồn hai dạng đồng phân hỗ biến (tautomer): dạng phổ biến (keto amino) dạng gặp (enol imino) Quá trình tautome trình biến đổi qua lại cặp hai tautomer (dạng phổ biến gặp) xảy trình chuyển động nguyên tử hydro vị trí cân cấu trúc phân tử Các dạng gặp dù có thời gian tồn ngắn thời gian đó, chúng huy động vào q trình tổng hợp DNA đột biến xảy dẫn đến hậu thông tin di truyền bị thay đổi [9] Do đó, việc tìm kiếm phương pháp để theo dõi tác động vào trình tautome, theo quan điểm chúng tôi, cần thiết Kĩ thuật đại cho phép tách riêng sở phân tử tự dạng khí để khảo sát tính chất nó; chúng tơi sử dụng trạng thái khí tính tốn lí thuyết Cụ thể báo này, khảo sát cytosine bốn sở DNA Việc tính tốn diễn theo hai bước Đầu tiên mô trình tautome từ trạng thái bền amino sang trạng thái bền imino phương pháp động học phân tử Sau chúng tơi cho phân tử tương tác với laser xung cực ngắn (5 fs) suốt q trình tautome Tính tốn phân tích phổ HHG phát xạ từ q trình tương tác mong đợi tìm thấy vài tín hiệu đặc biệt tương ứng với trạng thái amino, imino, chuyển tiếp Về mặt nguyên tắc tín hiệu phục vụ cho việc theo dõi trình tautome Phương pháp tính tốn 2.1 Mơ cấu trúc phân tử cytosine trình tautome Chương trình GAUSSIAN với tiến trình tối ưu hóa (Optimization) phương pháp DFT có hiệu chỉnh B3LYP hệ hàm sở − 31G + ( d, p) sử dụng để tìm trạng thái bền phân tử cytosine Có nhiều trạng thái bền trạng thái chuyển tiếp tồn ứng với cực tiểu địa phương đa diện theo tham số cấu trúc phức tạp cytosine Trong cơng trình này, quan tâm đến trạng thái bền trạng thái amino trạng thái imino tương ứng chuyển tiếp từ trạng thái amino để mô tả q trình tautome cụ thể Hình mơ tả ba trạng thái phân tử cytosine mà quan tâm, vị trí ngun tử hydro ( H10) định trạng thái phân tử Vị trí ngun tử H10 đặc trưng góc cấu trúc θ H ( ∠N3 − C4 − H10) khoảng cách R nguyên tử nguyên tử H10 Chức C4 tối ưu hóa GAUSSIAN cho ba vị trí cân H1 tương ứng với trạng thái amino, imino, chuyển tiếp Để minh họa tồn trạng thái amino – chuyển tiếp – imino , mặt (PES) tọa độ ( R, θ H ) H10 vẽ Để mặt chứa đủ ba trạng thái cân bằng, cần xét góc cấu trúc θH 0 từ 26 đến 91 , khoảng cách R thay đổi từ 1.4 A →2.2 A Hình Phân tử cytosine trạng thái amino (a), imino (b), chuyển tiếp (c) phụ thuộc vào vị trí nguyên H10 , đặc trưng góc cấu trúc khoảng tử θH cách R Quá trình tautome diễn chuyển động nguyên tử H10 Do hàm phân tử theo tọa độ nguyên tử phức tạp, để có PES ta cần tạo mặt cắt thích hợp Trước tiên ta mơ đường phản ứng hóa học tối ưu (IRC) dịch chuyển phân tử từ trạng thái amino sang imino Sau đó, ứng với vị trí đường IRC thay đổi khoảng cách R giữ ngun góc cấu trúc để có vị trí khác nguyên tử θH H10 Tại thời điểm đó, vị trí ngun tử khác phân tử cố định Như vậy, vị trí ( R, θ H ) tương ứng với cấu trúc xác định cytosine Cuối tính toán cytosine hàm tọa độ cấu trúc ( R, θH ) điểm Đây PES, mà chứa đựng trạng thái cân (amino, imino, chuyển tiếp) vị trí cực tiểu Thực trình tautome trình thay đổi mối liên kết H10 – N9 H10 – N3 Để mơ q trình tautome này, chúng tơi cung cấp động ban đầu cho nguyên tử H10 để thoát khỏi rào thế, bứt khỏi mối liên kết với nguyên tử N3 , di chuyển để liên kết với nguyên tử N9 Ở đây, không quan tâm đến chế cung cấp động Ngồi ra, gần Born-Oppenheimer dùng mơ q trình Trong GAUSSIAN có tích hợp phương pháp DFT để mô động lực phân tử kết hợp gần Born-Oppenheimer tiến trình gọi BO-MD Để khảo sát phân tử tương tác với laser trình động, trình tautome cụ thể mô phương pháp 2.2 Tính tốn phổ sóng hài bậc cao sử dụng mơ hình Lewenstein Mơ hình ba bước Lewenstein [2] sử dụng để tính sóng hài bậc cao phát phân tử tương tác với laser hồng ngoại bước sóng 800nm cường độ đỉnh lớn 14 □ ×10 độ dài xung cực ngắn cỡ femto giây W/cm Theo mơ hình ba bước, đóng góp phổ phát xạ sóng hài bậc cao bao gồm ba q trình: (1) trước tiên điện tử lớp ngồi (HOMO) bị i-ơn hóa theo chế xun hầm giải phóng miền lượng liên tục; (2) sau bỏ qua tương tác Coulomb so với trường mạnh laser, điện tử gia tốc trường điện thu lượng; (3) cuối cùng, laser đổi chiều điện trường, điện tử quay lại tương tác với i-ôn mẹ phát laser thứ cấp với phổ tần số bội số lẻ tần số laser ban đầu Mơ hình khơng cho giải thích định tính phát xạ sóng hài bậc cao mà cịn sở cho phương pháp giải tích, tính phổ phát xạ Phương pháp Lewenstein sử dụng thành cơng nhiều cơng trình trước [7, 8] không nhắc lại cơng thức tính tốn Trong tính toán, thành phần quan trọng liên quan đến phân tử mơ-men lưỡng cực tính hàm sóng tự hàm sóng điện tử lớp ngồi Bản thân hàm sóng HOMO tính phương pháp DFT với hiệu chỉnh B3LYP hệ hàm sở − 31G + ( d, p) Hình sơ đồ tương tác laser phân tử Trước tiên, phân tử định phương mặt phẳng vng góc với phương truyền laser chiếu vào Góc định phương θ định nghĩa góc hợp véc-tơ phân cực laser mối liên kết N1− C2 Về nguyên tắc, phân tử cytosine khơng đối xứng, ta cần khảo sát góc θ toàn miền thay đổi, nhiên véc-tơ phân cực trường điện laser tuần hoàn đổi chiều sau nửa chu kì HHG khơng thay đổi qua phép dịch chuyển 0 180 góc định phương Do vậy, ta cần xét giới hạn khoảng từ →180 Hình Sơ đồ thí nghiệm Phân tử định phương cho ln vng góc với laser tới, theo trục Oz Góc định phương θ góc hợp véc-tơ phân cực với mối liên kết N1− C2 Kết thảo luận 3.1 Mặt cấu trúc trạng thái tautomer cytosine Sử dụng chức tối ưu hóa chương trình GAUSSIAN, chúng tơi áp dụng phương pháp DFT để tính tốn tìm ba trạng thái cân cytosine (amino, chuyển tiếp, imino), thơng số cấu trúc trình bày bảng Các kết phù hợp tốt với mô khác [10] với thực nghiệm X-ray [11] Bảng Cấu trúc cytosine tương ứng với trạng thái amino Khoảng cách tính theo angstrom cịn góc tính theo độ r( r( r( r( r( r( r( N1− C2) C2 − N3) N3 − C4) C4 − C5) C5 − C6) C6 − N1) C2 − O8) r ( C4 − N9) ∠C6 − N1− C2 ∠N1− C2 − N3 ∠C2 − N3 − C4 ∠N3 − C4 − C5 ∠C4 − C5 − C6 ∠C5 − C6 − N1 ∠N1− C2 − O8 ∠N3 − C4 − N9 117.0 Bài 1.427 1.371 1.322 1.442 1.361 1.356 1.224 1.360 123.3 116.4 120.4 123.9 116.1 120.0 118.1 117.6 118.3 [10] 1.414 1.358 1.315 1.426 1.356 1.342 1.221 1.353 123.5 116.2 120.6 123.7 115.9 120.1 118.0 [11] 1.392 1.358 1.339 1.433 1.357 1.360 1.237 1.324 121.2 118.6 120.5 121.5 117.0 121.2 118.9 Bảng đưa vài số liệu để so sánh với thực nghiệm, nhiên chúng tơi có đầy đủ số liệu vị trí tất nguyên tử phân tử cytosine Cụ thể, tọa độ nguyên tử H10 tương ứng với ba trạng thái cân thu sau: 0 (i) trạng thái amino ( R = 2.04 A, = 91.10 ); (ii) trạng thái imino ( R = 2.07 A , θH θ H = 26.1 ); (iii) trạng thái chuyển tiếp ( R = 1.69 A, θH = 50.40 ) Tiến trình ‘Optimization’ GAUSSIAN cho phép ta tính tốn lượng trạng thái phân tử Cho trạng thái amino trạng thái imino, thu lượng tương quan 0.08 eV , phù hợp tốt với kết thực nghiệm kcal / mol ( 0.0867 eV) [12] Ngoài ra, thu lượng tương quan 1.87 eV trạng thái chuyển tiếp trạng thái amino Vì vậy, chúng tơi kết luận thông số cấu trúc phân tử cytosine tính tốn từ phương pháp nêu đáng tin cậy để sử dụng cho tính tốn cơng trình Hình Mặt (PES) phân tử cytosine Các vị trí cực tiểu lượng tương ứng với trạng thái cân bằng: amino ( R = 2.04 A, θ H = 91.10 ), imino ( R = 2.07 A, θH = 26.10 ) Điểm yên ngựa ( R = 1.69 A, θH = 50.40 ) tương ứng với trạng thái chuyển tiếp Đường IRC (màu xanh đậm) qua tất trạng thái cân phân tử cytosine Hình thể mặt (PES) cytosine theo vị trí nguyên tử hydro H10 Như nói phần phương pháp, hàm cytosine theo cấu trúc phân tử phức tạp, có nhiều cực tiểu địa phương thể trạng thái cân ứng với tautomer phân tử PES hình mặt cắt vùng quan tâm mang tính minh họa Ta thấy tồn hai cực tiểu lượng điểm yên ngựa vị trí thể trạng thái amino, imino chuyển tiếp Hình thể đường chuyển động tối ưu (IRC) nối trạng thái amino đến imino qua trạng thái chuyển tiếp 3.2 Sự phụ thuộc phổ sóng hài bậc cao vào góc định phương Phổ sóng hài bậc cao phát phân tử cytosine tương tác với xung laser cực ngắn tính tốn mơ hình Lewenstein Ở đây, chúng tơi tính tốn cho ba trường hợp phân tử cytosine trạng thái cân (amino, imino) trạng thái chuyển tiếp Sơ đồ thí nghiệm thông số laser mô tả phần 2.2 Phổ HHG thu có dáng điệu đặc trưng, ngắt bậc 33, phù hợp với lí thuyết Hình trình bày phụ thuộc cường độ HHG cho bậc 23, 25, 27 vào góc định phương θ , thay đổi từ đến 1800 Cường độ HHG đạt cực đại góc định phương 00 θ □ 500 θ □ 1300 →1350 cho trạng thái imino, θ □ 400 θ □ 1440 →1480 cho trạng thái chuyển tiếp, θ □ 320 →360 θ □ 710 →750 cho trạng thái amino Hình Sự phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương với bậc 23 (đường liền nét), 25 (đường liền nét với biểu tượng • ), 27 (đường vạch vạch) ứng với trạng thái cytosine-imino (a), trạng thái chuyển tiếp (b), cytosine-amino (c) Sự phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương hình cho phép phân biệt trạng thái phân tử cytosine, dù trạng thái imino, amino, hay trạng thái chuyển tiếp 3.3 Theo dõi trình tautome laser xung cực ngắn Chúng cho xung laser tương tác với phân tử suốt trình tautome tính phổ HHG tương ứng với góc định phương θ khác từ 00 đến 1800 Quỹ đạo nguyên tử H10 suốt trình tautome gọi đường phản ứng hóa học (CRP), vị trí ngun tử H10 tương ứng với cấu trúc phân tử cụ thể có xác định Hình phụ thuộc cường độ HHG với bậc 23 25 vào góc định phương θ góc cấu trúc θ H Như trình bày trên, vị trí nguyên H10 tử xác định khoảng cách R góc cấu trúc θ H Tuy nhiên, trình tautome nguyên tử hydro cố định CRP, tồn hạn chế R(θ H ) Do đó, cần góc cấu trúc để xác định vị trí nguyên tử H10 Chúng nhận cực đại cường độ HHG gần với vị trí góc định phương θ □ 500 , θ □ 700 , θ □ 1350 Kết phù hợp với kết trình bày hình xem xét phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương cho trạng thái cân phân tử cytosine Tiếp theo xem xét phụ thuộc vào góc cấu trúc θ H hình 5, chúng tơi nhận cho góc định phương vào cỡ θ □ 500 , cường độ HHG đạt cực đại góc θ H □ 260 phù hợp với trạng thái imino cytosine Chúng nhận cường độ HHG đạt cực đại góc θ □ phù hợp với trạng thái chuyển tiếp, H 510 θ □ 900 phù hợp với trạng thái amino phân tử cytosine H Như vậy, qua phân tích liệu HHG thu trên, ta thấy khả theo dõi trình tautome phân tử cytosine laser xung cực ngắn dựa vào tồn cực đại cường độ HHG gần với cấu trúc cân Việc giải thích cực đại tiến hành cơng trình Ở chúng tơi dự đoán chất cực đại liên quan đến tốc độ i-ơn hóa Một phân tử trạng thái cân có khả xuyên hầm cao trạng khác, lí cường độ HHG đạt cực đại trạng thái Hình Sự phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương θ góc cấu trúc θ H suốt trình tautome cho bậc 23 (a) 25 (b) Hình theo dõi q trình tautome việc đo đạc cường độ HHG Kết luận hướng phát triển Trong cơng trình này, việc sử dụng phương pháp DFT với hiệu chỉnh B3LYP hệ hàm sở − 31G + ( d, tích hợp chương trình p) GAUSSIAN, chúng tơi mơ cấu trúc mặt trạng thái cân amino, imino trạng thái chuyển tiếp Kết phù hợp với liệu thực nghiệm mô tác giả khác Sử dụng xấp xỉ Born-Oppenheimer với phương pháp động học phân tử, chúng tơi mơ q trình tautome từ trạng thái amino sang trạng thái imino Phổ HHG phát xạ phân tử cytosine tương tác với laser 800nm độ dài xung fs, cường độ đỉnh □ ×1014 W/cm2 tính tốn dựa mơ hình Lewenstein Sự phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương cho hai trạng thái cân (amino imino) trạng thái chuyển tiếp tìm Với điều chúng tơi sử dụng phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương để phân biệt trạng thái đặc trưng cytosine (các tautomer) HHG phát xạ phân tử cytosine tương tác với laser xung cực ngắn trình tautome tính tốn Sự phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương góc cấu trúc phân tích cho thấy tồn cực đại trạng thái cân (amino, imino) trạng thái chuyển tiếp Kết mở khả theo dõi trình tautome laser xung cực ngắn sử dụng chế phát xạ sóng hài bậc cao Trong cơng trình tiếp theo, chúng tơi cố gắng làm sang tỏ ý nghĩa vật lí cực đại cường độ HHG Ghi chú: Cơng trình thuộc đề tài thực tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED), mã số 103.01.20.09 TÀI LIỆU THAM KHẢO Zewail A H., (2000), “Femtochemistry: Atomic-Scale Dynamics of the Chemical Bond Using Ultrafast Lasers”, Angew Chem Int Ed 39 2586 – 2631 M Lewenstein, Ph Balcou, M Y Ivanov, A L’Huillier, P B Corkum, (1994), “Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields”, Phys Rev A 49 2117 – 2132 Itatani J., Levesque J., Zeidler D., Niikura H., Pepen H., Kieffer J C., Corkum P B., Villeneuve D M., (2004), “Tomographic imaging of molecular orbitals”, Nature 432 867 – 871 Le V H., Le A T., Xie R.H., Lin C D., (2007), “Theoretical analysis of dynamic chemical imaging with lasers using high-order harmonic generation”, Phys Rev A 76 013414-13 5 Haessler S., Caillat J., Boutu W., Giovanetti-Teixeira C., Ruchon T., Auguste T., Diveki Z., Breger P., Maquet A., Carré B., Taïeb R., Salières P., (2010), “Attosecond imaging of molecular electronic wavepackets”, Nature Physics 200 – 206 Lein M., Hay N., Velotta R., Marangos J P., Knight P L., (2002), “Interference effects in high-order harmonic generation with molecules”, Phys Rev A 66 0238056 Le V H., Nguyen N T., Le A T., Chen J., Lin C D., (2008), “Retrieval of interatomic separations of molecules from laser-induced high-order harmonic spectra”, J Phys B 41 085603-8 Nguyen N T., Tang B V., Le V H., (2010), “Tracking molecular isomerization process with high harmonic generation by ultra-short laser pulses”, J Mol Struct.: THEOCHEM 949 52 – 56 Orozco M., Hernández B., Luque F J., (1998), “Tautomerism of 1-methyl derivatives of uracil, thymine, and 5-bromouracil Is tautomerism the basis for the mutagenicity of 5-bromouridine?” J Phys Chem B 102 5228 – 5233 10 Estrin D A., Paglieri L., Corongiu G., (1994), “A density functional study of tautomerism of uracil and cytosine”, J Phys Chem 98 5653 – 5660 11 Voet D., Rich A., (1970), “The crystal structure of purines, pyrimidines and their intermolecular”, Prog Nucl Acid Res Mol Biol 10 183 – 265 12 Trygubenko S A., Bogdan T V., Rueda M., Orozco M., Luque F J., Sponer J., Slavicek P., Hobza P., (2002), “Correlated ab initio study of nucleic acid bases and their tautomers in the gas phase, in a microhydrated environment and in aqueous solution”, Phys Chem Chem Phys 4192 – 4203 (Ngày Tòa soạn nhận bài: 17-11-2011; ngày chấp nhận đăng: 23-12-2011) ... thấy tồn cực đại trạng thái cân (amino, imino) trạng thái chuyển tiếp Kết mở khả theo dõi trình tautome laser xung cực ngắn sử dụng chế phát xạ sóng hài bậc cao Trong cơng trình tiếp theo, chúng... tác với laser trình động, trình tautome cụ thể mơ phương pháp 2.2 Tính tốn phổ sóng hài bậc cao sử dụng mơ hình Lewenstein Mơ hình ba bước Lewenstein [2] sử dụng để tính sóng hài bậc cao phát phân... phổ sóng từ thay đổi thơng số cấu trúc phân tử trình bày [7] Tìm kiếm khả theo dõi q trình động học phân tử, phản ứng hóa học, trình sinh học laser xung cực ngắn chế phát xạ sóng hài bậc cao