Theo dõi quá trình động học phân tử các bazơ nitơ của ADN bằng lade xung cực ngắn

Trong phân tử ADN, có bốn loại bazơ nitơ, mỗi loại thường tồn tại dưới hai dạng đồng phân hỗ biến (tautomer): một dạng phổ biến và một dạng hiếm gặp. Quá trình tautomerism xảy ra khi có sự biến đổi giữa hai tautomer từ dạng phổ biến sang hiếm gặp. Các dạng hiếm gặp dù có thời gian tồn tại rất ngắn nhưng nếu trong thời gian tồn tại đó, chúng được huy động vào quá trình tổng hợp ADN thì đột biến sẽ xảy ra và dẫn đến hậu quả là thông tin di truyền bị thay đổi. Do đó, nhu cầu tìm kiếm phương pháp để có thể thu nhận thông tin và tác động vào quá trình tautomerism có ý nghĩa quan trọng và mang tính thực tiễn cao.

Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH THEO DÕI QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CÁC BAZƠ NITƠ CỦA ADN BẰNG LADE XUNG CỰC NGẮN Hoàng Văn Hưng, Lê Hải Mỹ Ngân, Lê Thị Cẩm Tú (Sinh viên năm 4, Khoa Vật lí) GVHD: PGS.TSKH Lê Văn Hồng Mở đầu 1.1 Lí chọn đề tài Sự phát xạ sóng hài bậc cao (High-order Harmonic Generation – kí hiệu HHG) tương tác nguyên tử với lade có cường độ mạnh phát vào năm 1988 nhóm nghiên cứu nhà khoa học M Ferray (Pháp) Từ đó, HHG mở đường cho ứng dụng to lớn, có việc chụp ảnh phân tử [1], [2], quan sát trình cấp thời gian femto giây [3], [4] Nối tiếp sau cơng trình “chụp ảnh” phân tử, HHG sử dụng để theo dõi trình đồng phân hóa HCN/HNC acetylen/vinyliden Những cơng trình mở đầu cho việc nghiên cứu trình đồng phân hóa phản ứng hóa học phân tử có cấu trúc phức tạp chế phát xạ HHG – q trình hỗ biến hóa học (tautomerism) bazơ nitơ ADN (Axit Deoxyribonucleic) ADN phân tử mang thông tin di truyền tất dạng sinh vật sống Khi phân tử ADN bị biến đổi thơng tin di truyền bị xáo trộn, gây đột biến Một nguyên nhân dẫn đến đột biến trình chép ADN q trình tautomerism Trong phân tử ADN, có bốn loại bazơ nitơ, loại thường tồn hai dạng đồng phân hỗ biến (tautomer): dạng phổ biến dạng gặp Quá trình tautomerism xảy có biến đổi hai tautomer từ dạng phổ biến sang gặp Các dạng gặp dù có thời gian tồn ngắn thời gian tồn đó, chúng huy động vào trình tổng hợp ADN đột biến xảy dẫn đến hậu thơng tin di truyền bị thay đổi Do đó, nhu cầu tìm kiếm phương pháp để thu nhận thơng tin tác động vào q trình tautomerism có ý nghĩa quan trọng mang tính thực tiễn cao Với ý nghĩa thực tiễn đó, nhóm chúng tơi thực đề tài “Theo dõi trình động học phân tử bazơ nitơ ADN lade xung cực ngắn” Trong đó, chúng tơi lựa chọn hai bazơ nitơ: thymine adenine để tiến hành cho tương tác với lade xung fs, bước sóng 800 nm, cường độ mạnh 2.1014 W/cm2 112 Năm học 2009– 2010 1.2 Mục đích nghiên cứu Sử dụng liệu HHG thu cho lade xung cực ngắn tương tác với hai bazơ nitơ adenine thymine trình tautomerism để từ theo dõi q trình động học phân tử hai bazơ nitơ Để đạt mục đích này, chúng tơi cần phải thực mục tiêu sau: - Mô cấu trúc phân tử HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) phân tử adenine thymine So sánh với số liệu thực nghiệm [9], [10] - Tính tốn mặt PES (Potential Energy Surface) tìm ba cấu trúc cân Mơ đường phản ứng hóa học CRP (Chemical Reaction Path) hai phân tử adenine thymine - Mô HHG thu cho lade xung fs, cường độ 2.1014 W/cm2, bước sóng 800 nm tương tác với phân tử - Xác định dấu vết trạng thái tautomer từ phổ HHG 1.3 Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu, phân tích tài liệu lí thuyết về: phần mềm tính tốn Gassian; ADN, bazơ nitơ, trình tautomerism; lý thuyết phát xạ HHG, mơ hình ba bước Lewenstein - Sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ DFT (Density Functional Theory) với hiệu chỉnh Gradient B3LYP hệ hàm sở 6-31G+(d,p) thông qua phần mềm Gaussian để mô cấu trúc phân tử, HOMO, mặt - Sử dụng phương pháp động học phân tử với gần Born-Oppenheimer với phương pháp phiếm hàm mật độ DFT với hiệu chỉnh Gradient B3LYP hệ hàm sở 6-31G+(d,p) thông qua phần mềm Gaussian để mơ đường phản ứng hóa học q trình tautomerism - Sử dụng mơ hình ba bước Lewenstein phát xạ HHG để mô HHG tương tác phân tử lade ngơn ngữ lập trình Fortran - Sử dụng mơ hình thí nghiệm mơ hình vẽ sau lade tương tác với phân tử: (a) Thymine (b) Adenine Hình 1: Mơ hình thí nghiệm mơ hai phân tử 113 Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Các phân tử khí có phân bố đẳng hướng, chúng phải định phương để liệu HHG thu có tính đồng cao Phân tử định phương mặt phẳng vng góc với phương truyền lade chiếu vào Sau chiếu lade (5 fs, 800 nm, 2.1014 W/cm 2) vào phân tử, hiệu ứng phi tuyến xảy hiệu ứng phát xạ HHG Đặt thiết bị thu tín hiệu HHG theo phương truyền lade vào đo HHG phát có phân cực vng góc với vectơ phân cực lade chiếu vào (từ gọi HHG song song HHG vng góc) Gọi  góc hợp phương vectơ phân cực lade trục phân tử Trục phân tử mơ hình chọn phương với mối liên kết N1-C2 Kết nghiên cứu 2.1 Cấu trúc HOMO phân tử Cấu trúc hai tautomer trạng thái chuyển tiếp phân tử adenine thymine tối ưu hóa từ phần mềm Gaussian thể hình vẽ (a) (b) (c) Hình 2: Ba trạng thái phân tử adenine (a) Trạng thái imino; (b) Trạng thái chuyển tiếp; (c) Trạng thái amino (a) (b) (c) Hình 3: Ba trạng thái cân phân tử thymine (a) Trạng thái enol; (b) Trạng thái chuyển tiếp; (c) Trạng thái keto Các số liệu thu từ mô Gaussian phù hợp với liệu thực nghiệm [9], [10] mơ hình tính tốn sử dụng đáng tin cậy Trong đề tài này, chúng tơi sử dụng mơ hình tính tốn ba bước Lewenstein Theo mơ hình này, lade tương tác với HOMO phân tử Do đó, tiếp tục sử dụng 114 Năm học 2009– 2010 phương pháp tiến hành mô HOMO phân tử để chuẩn bị cho việc mô HHG 2.2 Mặt phẳng đường phản ứng hóa học Sử dụng phần mềm Gaussian, thay đổi vị trí ngun tử hydro khơng gian để khảo sát mặt adenine thymine Với phân tử thymine việc thực cách thay đổi khoảng cách C4H11(R) góc O8-C4-H11 (góc cấu trúc θH), với adenine khoảng cách C6H15 góc N1-C6-H15 Kết tính mặt mơ đường phản ứng hóa học phân tử thymine sau: Hình 4: Mặt phẳng phân tử thymine Hình 5: Đường phản ứng hóa học phân tử thymine Quan sát hình vẽ, ta thấy mặt phân tử thymine có vị trí cực tiểu địa phương ứng với trạng thái enol, vị trí yên ngựa tương ứng với trạng thái chuyển tiếp vị trí cực tiểu tồn cục ứng với trạng thái keto Dựa vào đồ thị đường phản ứng hóa học, mức chênh lệch lượng hai trạng thái enol – keto 0.62 eV, trạng thái chuyển tiếp – keto 1.92 eV Đối với adenine thu kết tương tự, phân tử adenine có vị trí cực tiểu địa phương ứng với trạng thái imino, vị trí yên ngựa tương ứng với trạng thái chuyển tiếp vị trí cực tiểu tồn cục ứng với trạng thái amino Năng lượng hai trạng thái imino – amino 0.53 eV, trạng thái chuyển tiếp – amino 2.1 eV 115 Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 2.3 Phát xạ HHG phân biệt ba trạng thái Sử dụng mơ hình ba bước, chúng tơi mơ HHG ngôn ngữ Fortran Lần lượt thay đổi giá trị góc định phương khác từ 00 đến 900 thu kết liệu HHG Hình 6: Cường độ HHG song song theo góc định phương khác Quan sát đồ thị ta nhận thấy cường độ HHG song song phụ thuộc góc định phương amino-adenine keto-thymine có đặc điểm chung Ở vùng tần số thấp   11 , cường độ HHG phát lớn, vùng mơ hình ba bước Lewenstein khơng cịn xác Sau đó, đồ thị có dạng gần phẳng vùng tần số định (miền phẳng) Miền kết thúc ngưỡng tần số định   33 (cut off [8]) Sau với   33 cường độ HHG giảm nhanh nhỏ Do liệu HHG có giá trị miền phẳng với tần số khoảng 11    33 Để thấy rõ phụ thuộc HHG vào góc định phương ta xét với bậc cụ thể 19, 21, 23 25 cho phân tử thymine Hình 7: Sự phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương cho thymine Với trạng thái thymine, HHG song song ứng với bậc cụ thể đạt cực đại giá trị góc theta vào khoảng 60 0-700 cịn HHG vng góc phát đại 116 Năm học 2009– 2010 cực trị hai vị trí góc theta vào khoảng 350-400 650-700 Tương tự cho adenine, nhận thấy chưa thể phân biệt trạng thái khác phân tử Nguyên nhân việc chưa thể dùng phương pháp để phân biệt trạng thái cân phân tử adenine thymine đóng góp nguyên tử hydro lên HOMO phân tử với ba trạng thái cân không đáng kể Mà mơ hình chúng tơi sử dụng lade tương tác với HOMO phân tử phát HHG Do phương pháp nên sử dụng với đồng phân mà có HOMO khác mặt hình dạng Cũng cần có phương pháp cải tiến mơ hình để thu kết xác 2.4 Theo dõi trình tautomerism Trong trình tautomerism, giữ ngun mơ hình thí nghiệm, chiếu lade liên tục trình từ liệu HHG thu tiến hành khảo sát cường độ HHG thu phụ thuộc vào hai biến số góc định phương góc cấu trúc Hình 8: Góc cấu trúc q trình tautomer hóa phân tử thymine Góc cấu trúc đặc trưng cho ba trạng thái phân tử thymine ~300, cho trạng thái enol ~52 0, cho trạng thái chuyển tiếp 940 cho trạng thái keto Khảo sát phụ thuộc cường độ HHG vào hai biến số góc định phương góc cấu trúc chúng tơi thu kết sau: Hình 9: Cường độ HHG song song phụ thuộc vào góc định phương góc cấu trúc q trình hỗ biến hóa học thymine ứng với bậc 19 21 117 Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Trong trình tautomerism, dựa vào HHG song song với bậc 19 21 ta nhận thấy HHG cực đại vùng Vùng thứ vùng nằm vị trí góc cấu trúc cỡ 30 0-350 tương ứng với trạng thái enol; vùng thứ hai vùng nằm khoảng góc cấu trúc cỡ 500-600 tương ứng với trạng thái chuyển tiếp; vùng thứ ba vùng nằm khoảng góc cấu trúc cỡ 900-940 tương ứng với trạng thái keto Với HHG vng góc HHG song song với bậc lại (khác bậc 19 21) cực đại khơng trùng với ba trạng thái cân Do sử dụng HHG song song bậc 19 21 ta theo dõi trình tautomerism thymine Áp dụng phương pháp tương tự cho phân tử adenine nhận thấy chưa thể phân biệt trạng thái cân bằng: imimo, trạng thái chuyển tiếp, amino cực đại không trùng với trạng thái Nguyên nhân việc thymine có cấu tạo mạch vịng cịn adenine có cấu tạo hai mạch vịng ảnh hưởng hydro lên HOMO q trình tautomerism phân tử thymine đáng kể Do phương pháp thành cơng cho việc theo dõi trình tautomerism phân tử thymine Kết luận hướng phát triển Như vậy, cách sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ DFT với hiệu chỉnh Gradient B3LYP hệ hàm sở 6-31G+(d,p) thông qua phần mềm Gaussian mô cấu trúc HOMO ba trạng thái cân hai bazơ nitơ adenine thymine Kết tính toán phù hợp với thực nghiệm [9], [10] Sử dụng phương pháp động học phân tử gần BornOppenheimer chúng tơi mơ q trình tautomerism adenine thymine, hình ảnh mặt đường phản ứng hóa học phân tử Tiếp theo, dựa mơ hình ba bước Lewenstein, chúng tơi mô HHG tương tác hai phân tử với lade theo dõi thành công trình tautomerism cho phân tử thymine Kết mang tính định hướng cho thực nghiệm Tuy nhiên theo mơ hình ba bước Lewenstein lade tương tác với HOMO phân tử Vì HOMO trạng thái cân adenine thymine giống nhau, nên chưa thể sử dụng HHG phân biệt trạng thái phân tử, đồng thời chưa thể theo dõi trình tautomerism adenine Do cần thiết phải có mơ hình tính tốn xác để mô HHG 118 Năm học 2009– 2010 Đề tài phát triển theo hướng theo dõi q trình tautomerism hai bazơ nitơ cịn lại trình deamination cytosine trình chuyển từ cytosine thành uracil khơng có ADN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 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 [2] Le Van Hoang, Le Anh Thu, Rui-Hua Xie and Lin C.D (2007), “Theoretical analysis of dynamic chemical imaging with lades using high-order harmonic generation”, Physical Review A 76, 013414 [3] Nguyen Ngoc Ty, Le Van Hoang, Vu Ngoc Tuoc, Le Anh Thu (2010), “Retrieving molecular structural information and tracking HNC/HCN isomerization process with high harmonic generation by ultrashort lade pulses”, Communications in Physics 20 [4] Ngoc-Ty Nguyen, Bich-Van Tang, and Van-Hoang Le (2010), “Tracking Molecular Isomerization Process with High Harmonic Generation by Ultrashort Lade Pulses”, J Mol Struct (Theochem) 949, 52 [5] Đinh Đoàn Long, Đỗ Lê Thăng (2009), Cơ sở di truyền học phân tử tế bào, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Hà Nội [6] Lewenstein M., Balcou Ph., Ivanov M.Yu., L’Huillier Anne, and Corkum P.B (1994), “Theory of high harmonic generation by low – frequency lade fields”, Physical Review A 49, 2117 [7] Frisch M J et al (2003), GAUSSIAN 03, revision C.02, Gaussian, Inc., Pittsburgh, PA [8] Corkum P B (1993), “Plasma perspective on strong field multiphoton ionization”, Physical Review Letters 71, 1994 [9] http://ndbserver.rutgers.edu/archives/proj/valence/bases4.html [10] http://ndbserver.rutgers.edu/archives/proj/valence/bases6.html 119 ...Năm học 2009– 2010 1.2 Mục đích nghiên cứu Sử dụng liệu HHG thu cho lade xung cực ngắn tương tác với hai bazơ nitơ adenine thymine q trình tautomerism để từ theo dõi trình động học phân tử hai bazơ. .. HHG theo phương truyền lade vào đo HHG phát có phân cực vng góc với vectơ phân cực lade chiếu vào (từ gọi HHG song song HHG vng góc) Gọi  góc hợp phương vectơ phân cực lade trục phân tử Trục phân. .. ảnh mặt đường phản ứng hóa học phân tử Tiếp theo, dựa mơ hình ba bước Lewenstein, mô HHG tương tác hai phân tử với lade theo dõi thành cơng q trình tautomerism cho phân tử thymine Kết mang tính