从实验室:低能辐射与DNA

迪帕克·马图尔团队

众所周知，当暴露于高能辐射 (例如伽马射线或高能电子) 时，人类DNA会受到损害。像宇宙射线一样的自然辐射会破坏我们的DNA及其遗传物质。但是DNA也具有自我修复的特性。值得注意的是，在正常情况下，人类DNA能够以几乎相当于自然辐射和化学制剂常规造成的损害程度的速度自我修复。

当损害的速度超过修复能力时，例如当人类暴露于核反应堆泄漏的辐射时，就会发生遗传疾病。尽管已经广泛研究了高能辐射对DNA的影响，但我们并没有很好地理解低能粒子或辐射对我们DNA的影响。例如，我们不知道人类DNA在前往火星的太空旅行中会受到怎样的影响，那时它可能会受到持续的低能辐射的影响。我们小组一直在探讨这个特殊的问题。

像这样的研究的困难在于产生低能辐射，然后使其与 “活跃” 或 “活着” 的DNA反应。DNA总是呈水的形式，呈液态。为了获得最佳结果，我们需要将这种含水DNA暴露于低能辐射中。我们使用的激光束可以在很短的时间内产生大量的光子，光粒子，大约10-15秒 (飞秒)。实际上，这些光子的能量非常低，但是由于数万亿的光子是在几毫微秒的时间内产生的，因此它们导致了强大的电场的产生，尽管是短暂的电场。

然后，我们将保存在水中的DNA暴露在该电场中。产生的等离子体使水分子电离，产生非常低能量的电子。水分子也分解，形成OH自由基。这些部首的能量也很低。所有这些都与分散在水中的DNA相互作用，我们现在准备研究其影响。

使用一种称为凝胶电泳的技术，我们能够分析由于其与低能粒子相互作用而在DNA中引起的变化。我们注意到DNA受损。在某些情况下，发现DNA的双螺旋结构的一条链断裂，另一条链断裂。现在，单链断裂很容易通过DNA本身修复，但是双链损伤却不那么容易修复。DNA链的断裂会导致癌症和肿瘤的形成。

通过进一步完善我们的实验，我们还能够推断出OH离子对DNA造成损伤的可能性是电子的四倍。还可以看出，OH自由基更可能导致双链断裂，使其对DNA更加 “危险”。我们还能够证明，通过控制激光束中的光子如何聚焦，从而影响电场的强度，我们可以控制对DNA的损伤程度。我们的工作已发表在《物理评论快报》的两篇文章和《科学报告》的一篇文章中，以及由p Vasa和Deepak Mathur撰写的最近的《超快生物光子学》一书中。

我们的实验显示了一种新方法，可以在生理相关的水环境中研究低能辐射对生物分子 (而不仅仅是DNA) 的影响。可能会有更大的影响。可以将激光束聚焦到极小的区域，例如几微米。在这种情况下，我们只能在特定体积内控制对DNA的损害。如今，治疗癌症的方法之一是通过高能伽马射线照射肿瘤细胞。但是在这种照射过程中，许多邻近组织也遭受附带损害。我们的光学方法可以提供一种有效的方法，仅通过高密度光子束靶向肿瘤细胞以破坏肿瘤细胞。这样，它可能有可能改善癌症治疗。