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

Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 112 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 Hoàng 1. Mở đầu 1.1. Lí do chọn đề tài Sự phát xạ sóng hài bậc cao (High-order Harmonic Generation – kí hiệu HHG) do tương tác của nguyên tử với lade có cường độ mạnh được phát hiện đầu tiên vào năm 1988 bởi nhóm nghiên cứu của nhà khoa học M. Ferray (Pháp). Từ đó, HHG đã mở đường cho những ứng dụng to lớn, trong đó có việc chụp ảnh phân tử [1], [2], và quan sát các quá trình ở cấp thời gian femto giây [3], [4]. Nối tiếp sau những công trình “chụp ảnh” phân tử, HHG đã được sử dụng để theo dõi quá trình đồng phân hóa HCN/HNC và acetylen/vinyliden. Những công trình này đã mở đầu cho việc nghiên cứu các quá trình đồng phân hóa và những phản ứng hóa học của các phân tử có cấu trúc phức tạp hơn bằng cơ chế phát xạ HHG – quá trình hỗ biến hóa học (tautomerism) đối với các bazơ nitơ của ADN (Axit Deoxyribonucleic). ADN là phân tử mang thông tin di truyền của tất cả các dạng sinh vật sống. Khi phân tử ADN bị biến đổi thì thông tin di truyền cũng sẽ bị xáo trộn, gây ra đột biến. Một trong những nguyên nhân dẫn đến đột biến trong quá trình sao chép ADN chính là quá trình tautomerism. 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. Với ý nghĩa thực tiễn đó, nhóm chúng tôi đã thực hiện đề tài “Theo dõi quá trình động học phân tử của các bazơ nitơ của ADN bằng lade xung cực ngắn”. Trong đó, chúng tôi lựa chọn hai bazơ nitơ: thymine và adenine để tiến hành cho tương tác với lade xung 5 fs, bước sóng 800 nm, cường độ mạnh 2.1014 W/cm2. Năm học 2009– 2010 113 1.2. Mục đích nghiên cứu Sử dụng dữ liệu HHG thu được khi cho lade xung cực ngắn tương tác với hai bazơ nitơ adenine và thymine trong quá trình tautomerism để từ đó theo dõi quá trình động học phân tử của hai bazơ nitơ này. Để có thể đạt được mục đích này, chúng tôi cần phải thực hiện được những mục tiêu sau: - Mô phỏng cấu trúc phân tử và HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) của phân tử adenine và thymine. So sánh với số liệu thực nghiệm [9], [10]. - Tính toán mặt thế năng PES (Potential Energy Surface) và tìm ra ba cấu trúc cân bằng. Mô phỏng đường phản ứng hóa học CRP (Chemical Reaction Path) của hai phân tử adenine và thymine. - Mô phỏng HHG thu được khi cho lade xung 5 fs, cường độ 2.1014 W/cm2, bước sóng 800 nm tương tác với phân tử. - Xác định dấu vết các trạng thái tautomer từ phổ HHG. 1.3. Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu, phân tích tài liệu lí thuyết về: phần mềm tính toán Gassian; ADN, các bazơ nitơ, quá trình tautomerism; lý thuyết phát xạ HHG, mô hình ba bước Lewenstein. - Sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ DFT (Density Functional Theory) với hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) thông qua phần mềm Gaussian để mô phỏng cấu trúc phân tử, HOMO, mặt thế năng. - Sử dụng phương pháp động học phân tử với gần đúng Born-Oppenheimer cùng với phương pháp phiếm hàm mật độ DFT với hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) thông qua phần mềm Gaussian để mô phỏng đường phản ứng hóa học trong quá trình tautomerism. - Sử dụng mô hình ba bước Lewenstein về phát xạ HHG để mô phỏng HHG do tương tác giữa phân tử và lade bằng ngôn ngữ lập trình Fortran. - Sử dụng mô hình thí nghiệm mô phỏng như hình vẽ sau để cho lade tương tác với phân tử: (a) Thymine (b) Adenine Hình 1: Mô hình thí nghiệm mô phỏng đối với hai phân tử Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 114 Các phân tử khí có phân bố đẳng hướng, do đó chúng phải được định phương để dữ liệu HHG thu được có tính đồng bộ cao. Phân tử sẽ được định phương trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền của lade chiếu vào. Sau đó chiếu lade (5 fs, 800 nm, 2.1014 W/cm2) vào phân tử, các hiệu ứng phi tuyến xảy ra và một trong những hiệu ứng đó là phát xạ HHG. Đặt thiết bị thu tín hiệu HHG theo cùng phương truyền của lade vào và chỉ đo các HHG phát ra có cùng phân cực và vuông góc với vectơ phân cực của lade chiếu vào (từ đây sẽ gọi là HHG song song và HHG vuông góc). Gọi  là góc hợp bởi phương của vectơ phân cực của lade và trục phân tử. Trục phân tử trong mô hình này được chọn là cùng phương với mối liên kết N1-C2. 2. Kết quả nghiên cứu 2.1. Cấu trúc và HOMO của các phân tử Cấu trúc hai tautomer và trạng thái chuyển tiếp của phân tử adenine và thymine tối ưu hóa từ phần mềm Gaussian được thể hiện bằng hình vẽ dưới đây. (a) (b) (c) Hình 2: Ba trạng thái của 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 bằng của phân tử thymine (a) Trạng thái enol; (b) Trạng thái chuyển tiếp; (c) Trạng thái keto Các số liệu thu được từ mô phỏng của Gaussian khá phù hợp với dữ liệu thực nghiệm [9], [10] do đó mô hình tính toán đã sử dụng là đáng tin cậy. Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng mô hình tính toán ba bước Lewenstein. Theo mô hình này, lade sẽ tương tác với HOMO của phân tử. Do đó, tiếp tục sử dụng Năm học 2009– 2010 115 phương pháp này chúng tôi tiến hành mô phỏng HOMO của phân tử để chuẩn bị cho việc mô phỏng HHG. 2.2. Mặt phẳng thế năng và đường phản ứng hóa học Sử dụng phần mềm Gaussian, chúng tôi lần lượt thay đổi vị trí của nguyên tử hydro trong không gian để khảo sát mặt thế năng của adenine và thymine. Với phân tử thymine việc này được thực hiện bằng cách thay đổi khoảng cách C4- H11(R) và góc O8-C4-H11 (góc cấu trúc θH), với adenine là khoảng cách C6- H15 và góc N1-C6-H15. Kết quả tính mặt thế năng và mô phỏng đường phản ứng hóa học của phân tử thymine như sau: Hình 4: Mặt phẳng thế năng của phân tử thymine Hình 5: Đường phản ứng hóa học của phân tử thymine Quan sát hình vẽ, ta thấy trên mặt thế năng của phân tử thymine có một vị trí cực tiểu địa phương ứng với trạng thái enol, một vị trí yên ngựa tương ứng với trạng thái chuyển tiếp và một vị trí cực tiểu toàn cục ứng với trạng thái keto. Dựa vào đồ thị đường phản ứng hóa học, mức chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái enol – keto là 0.62 eV, giữa trạng thái chuyển tiếp – keto là 1.92 eV. Đối với adenine cũng thu được kết quả tương tự, phân tử adenine cũng có một vị trí cực tiểu địa phương ứng với trạng thái imino, một vị trí yên ngựa tương ứng với trạng thái chuyển tiếp và một vị trí cực tiểu toàn cục ứng với trạng thái amino. Năng lượng giữa hai trạng thái imino – amino là 0.53 eV, giữa trạng thái chuyển tiếp – amino là 2.1 eV. Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 116 2.3. Phát xạ HHG và phân biệt ba trạng thái Sử dụng mô hình ba bước, chúng tôi mô phỏng HHG trên ngôn ngữ Fortran. Lần lượt thay đổi giá trị góc định phương khác nhau từ 00 đến 900 và thu kết quả dữ liệu HHG. Hình 6: Cường độ HHG song song theo các góc định phương khác nhau Quan sát đồ thị ta nhận thấy cường độ HHG song song phụ thuộc góc định phương đối với amino-adenine và keto-thymine đều có những đặc điểm chung. Ở vùng tần số thấp  11  , cường độ HHG phát ra rất lớn, hơn nữa trong vùng đó mô hình ba bước Lewenstein không còn chính xác nữa. Sau đó, đồ thị có dạng gần như bằng phẳng trong một vùng tần số nhất định (miền phẳng). Miền này kết thúc tại ngưỡng tần số nhất định 33  (cut off [8]). Sau đó với 33  thì cường độ HHG giảm nhanh và rất nhỏ. Do đó dữ liệu HHG chỉ có giá trị trong miền phẳng với tần số trong khoảng 11 33  . Để thấy rõ sự phụ thuộc của HHG vào góc định phương ta xét với các bậc cụ thể 19, 21, 23 và 25 cho phân tử thymine. Hình 7: Sự phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương cho thymine Với các trạng thái của thymine, HHG song song ứng với một bậc cụ thể đạt cực đại tại giá trị góc theta vào khoảng 600-700 còn HHG vuông góc phát ra đại Năm học 2009– 2010 117 cực trị tại hai vị trí góc theta vào khoảng 350-400 và 650-700. Tương tự cho adenine, chúng tôi nhận thấy chưa thể phân biệt được các trạng thái khác nhau của phân tử này. Nguyên nhân của việc chưa thể dùng phương pháp này để phân biệt các trạng thái cân bằng của phân tử adenine cũng như thymine là sự đóng góp của nguyên tử hydro lên HOMO của phân tử với cả ba trạng thái cân bằng là không đáng kể. Mà trong mô hình chúng tôi sử dụng lade chỉ tương tác với HOMO của phân tử và phát HHG. Do đó phương pháp này nên được sử dụng với những đồng phân mà có HOMO khác nhau về mặt hình dạng. Cũng cần có phương pháp cải tiến mô hình để thu được kết quả chính xác hơn. 2.4. Theo dõi quá trình tautomerism Trong quá trình tautomerism, vẫn giữ nguyên mô hình thí nghiệm, chiếu lade liên tục trong quá trình này và từ dữ liệu HHG thu được chúng tôi tiến hành khảo sát cường độ HHG thu được phụ thuộc vào hai biến số góc định phương và góc cấu trúc. Hình 8: Góc cấu trúc trong quá trình tautomer hóa của phân tử thymine Góc cấu trúc đặc trưng cho ba trạng thái của phân tử thymine là ~300, cho trạng thái enol ~520, cho trạng thái chuyển tiếp và 940 cho trạng thái keto. Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ HHG vào hai biến số góc định phương và góc cấu trúc chúng tôi thu được kết quả như sau: Hình 9: Cường độ HHG song song phụ thuộc vào góc định phương và góc cấu trúc trong quá trình hỗ biến hóa học của thymine ứng với bậc 19 và 21 Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 118 Trong cả quá trình tautomerism, dựa vào HHG song song với bậc 19 và 21 ta nhận thấy HHG cực đại trong 3 vùng. Vùng thứ nhất là vùng nằm ở vị trí góc cấu trúc cỡ 300-350 tương ứng với trạng thái enol; vùng thứ hai là vùng nằm trong khoảng góc cấu trúc cỡ 500-600 tương ứng với trạng thái chuyển tiếp; vùng thứ ba là vùng nằm trong khoảng góc cấu trúc cỡ 900-940 tương ứng với trạng thái keto. Với HHG vuông góc cũng như HHG song song nhưng với các bậc còn lại (khác bậc 19 và 21) thì các cực đại không trùng với ba trạng thái cân bằng này. Do đó sử dụng HHG song song bậc 19 và 21 ta có thể theo dõi được quá trình tautomerism của thymine. Áp dụng phương pháp tương tự cho phân tử adenine chúng tôi nhận thấy chưa thể phân biệt được các trạng thái cân bằng: imimo, trạng thái chuyển tiếp, amino do các cực đại không trùng với trạng thái này. Nguyên nhân của việc này là do thymine có cấu tạo một mạch vòng còn adenine có cấu tạo hai mạch vòng do đó ảnh hưởng của hydro lên HOMO trong quá trình tautomerism của phân tử thymine là đáng kể hơn. Do đó phương pháp này đã thành công cho việc theo dõi quá trình tautomerism của phân tử thymine. 3. Kết luận và hướng phát triển Như vậy, bằng cách sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ DFT với hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) thông qua phần mềm Gaussian chúng tôi đã mô phỏng được cấu trúc và HOMO của ba trạng thái cân bằng của hai bazơ nitơ adenine và thymine. Kết quả tính toán phù hợp với thực nghiệm [9], [10]. Sử dụng phương pháp động học phân tử bằng gần đúng Born- Oppenheimer chúng tôi đã mô phỏng được quá trình tautomerism của adenine và thymine, bằng hình ảnh mặt thế năng và đường phản ứng hóa học của phân tử. Tiếp theo, dựa trên mô hình ba bước Lewenstein, chúng tôi đã mô phỏng được HHG do tương tác của hai phân tử này với lade và theo dõi thành công quá trình tautomerism cho phân tử thymine. Kết quả này mang tính định hướng cho thực nghiệm. Tuy nhiên theo mô hình ba bước Lewenstein thì lade chỉ tương tác với HOMO của phân tử. Vì HOMO của các trạng thái cân bằng của adenine và thymine là rất giống nhau, nên chưa thể sử dụng HHG phân biệt được các trạng thái của từng phân tử, đồng thời cũng chưa thể theo dõi được quá trình tautomerism của adenine. Do đó cần thiết phải có mô hình tính toán chính xác hơn để mô phỏng HHG. Năm học 2009– 2010 119 Đề tài có thể được phát triển theo hướng theo dõi quá trình tautomerism của hai bazơ nitơ còn lại và quá trình deamination của cytosine là quá trình chuyển từ cytosine thành uracil không có trong 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 và tế bào, Nhà xuất bản 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] [10]