我國與海外合作者發現有機生物分子間庫侖衰變現象

圖  電子束誘導苯二聚體分子間庫侖衰變過程

　　在國家自然科學基金項目（批準號：11974272、11774281）等資助下，西安交通大學物理學院任雪光教授團隊與海外研究人員合作，首次發現有機生物分子間庫侖衰變現象，為理解生物大分子結構和動力學提供了基礎。該成果以“基于內價層電離π-堆積芳香環分子間的超快能量轉移（Ultrafast energy transfer between π-stacked aromatic rings upon inner-valence ionization）”為題，于2021年12月20日發表在《自然?化學》（Nature Chemistry）雜志上。文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41557-021-00838-4。

　　分子間的π-堆積相互作用廣泛存在于生物大分子體系中，是影響和控制蛋白質折疊，DNA雙螺旋結構，分子識別和自組裝，DNA-藥物相互作用等物理化學性質的關鍵因素。苯二聚體(C6H6)2是研究π-堆積作用的原型分子，在物理、化學、分子生物學和材料科學等領域具有重要的基礎研究價值。近期，在復雜原子分子體系（范德瓦爾斯團簇、氫鍵體系）電離過程的研究中，人們發現其中一個分子的退激發過程可能引發分子間超快能量轉移（飛秒時間尺度）以及環境分子的進一步電離，即分子間的庫侖衰變（intermolecular Coulombic decay，ICD）。這一新奇的物理現象在π-堆積復雜分子體系中是否存在仍是未知，而從根本上揭示生物大分子體系中的ICD過程仍是一個極具挑戰性的科學難題。

　　西安交通大學物理學院任雪光教授團隊及其合作者利用多粒子符合動量成像譜儀（反應譜儀）結合超音速生物冷靶和脈沖光電子源技術，開展電子束與苯二聚體碰撞電離實驗。研究表明，當生物組織暴露于電離輻射時，可能會發生超乎預想的更具破壞性的連鎖反應。在苯二聚體研究中，苯分子C2s態內殼層電離將引發分子間的能量轉移，從而使第二個苯分子電離并釋放一個低能電子，兩個分子離子在庫侖排斥作用下分離（庫侖爆炸）。實驗測量了反應后出射的電子和離子，并結合第一性原理計算和分子動力學模擬，系統還原了苯二聚體電離解離全過程，證實了π-堆積有機生物分子體系中存在超快分子間庫侖衰變現象。該反應直接破壞兩個相鄰的生物分子并最終導致鍵斷裂，同時產生具有生物毒性的低能電子及分子自由基，對細胞或DNA鏈等產生不可逆轉的破壞（圖）。

　　該研究工作為解析生物大分子結構和動力學、揭示DNA輻照損傷機理開辟了新的途徑，也將為發展精準醫療技術提供有效指導，有望推動原子分子物理研究向復雜分子系統的進一步拓展和應用。