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Abstract:
The
photostability
of
DNA
is
highly
complicated,
and
yet
crucial,
as
dimerization
of
bases
due
to
excitation
could
lead
to
skin
cancer.
Therefore,
the
physical
properties
of
DNA
are
studied
in
order
to
understand
its
biochemical
functions
and
pathology,
such
as
the
influence
of
UV
light
on
cancer
formation,
which
is
related
to
the
presence
of
thymine
photoproducts.1 The
presence
of
excitons
in
this
process
has
been
proposed2-17,
and
the
investigation
of
DNA
and
its
composing
nucleobases
excitation
pathways
raises
a
number
of
questions,
such
as
the
role
of
solvents
in
the
release
of
excessive
energy,
the
interaction
of
different
solvents
with
nucleobases,
the
possible
differences
between
nucleobases
themselves,
and
ultimately,
the
possibility
of
an
universal
mechanism.
The
present
work
uses
sensitive
optical
techniques - electronic
broad
band
transient
absorption
(TA),
and
two-
dimensional
photon
echo
(2DPE)
spectroscopies
-
in
order
to
study
these
phenomenons.
In
order
to
cover
a
wide
spectroscopic
window,
broadband
time-resolved
spectroscopy
in
the
UV
is
used,
as
it
covers
the
full
absorption
peak
of
DNA
and
nucleobases.
This
is
very
demanding,
and
this
work
demonstrates
the
possibility
of
overcoming
the
inherent
challenges
by
using
a
novel
optical
setup
that
covers
nearly
all
the
lowest
absorption
bands
and
excited-state
emission
bands
of
DNA
and
nucleobases
(250
to
300
nm).
The
setup
can
record
very
short
dynamics,
including
oscillatory
behaviors
due
to
Raman
frequencies,
as
it
has
such
a
broadband
spectral
window
and
short
pulse
length
(6 − 8 fs in
fwhm),
combined
with
a
closed-loop
wire-guided
jet
system
for
handling
the
liquid
samples.18
An
extensive
characterization
of
single
nucleobases
and
short
single
strands
of
DNA
(ssDNA)
using
steady-state
absorption
and
circular
dichroism
spectroscopy,
was
conducted
priorly
to
the
time-resolved
experiments.
The
linear
spectroscopy
study
(absorption
and
circular
dichroism)
of
ssDNA
revealed
two
major
electronic
excitations
below
the
band
at
260
nm,
as
well
as
a
linear
relationship
between
the
number
of
nucleobases
in
a
single
strand
and
the
dipole
strength.
Furthermore,
the
delocalization
of
excitons
is
dependent
on
the
length
of
the
oligomeric
chain,
though
this
varies;
in
adenosine
the
exciton
is
localized
only
on
nearest
neighbors,
in
(dT)n
and
(dAT)n
the
range
grows
as
the
strand
lengthens.
The
performance
of
the
TA
and
2DPE
system
was
first
tested
an
characterized
by
using
pyrene,
a
well-known
dye19-25
with
a
high
transition
dipole
strength,
well-known
electronic
transitions,
relatively
small
chemical
structure,
and
clear
Franck-Condon
progression.
The
study
suggests
two
possible
alternative
mechanisms
for
the
de-excitation
of
pyrene.
The
excitation
of
the
S4
is
followed
by
a
sub-picosecond
relaxation
of
the
excited
population
to
the
phantom
state
S3,
then
to
the
S2
(8 ps)
and
finally
to
the
Lb
states
(24 ps),
assuming
the
characteristics
of
S1
at
the
minimum;
the
population
is
trapped
for
an
extended
time
in
the
S1/Lb
bottle-neck
minimum
before
relaxing
to
the
ground
state.
Alternatively,
there
is
a
single
conical
intersection
(CI)
between
S3
and
Lb,
and
the
uorescence
structure
at
350
−
368
nm
is
instead
associated
with
a
relaxation
from
the
Lb
after
the
CI
with
the
phantom
state;
the
S2
level
is
not
involved
in
de-excitation.
Furthermore,
the
TA
and
2DPE
study
of
nucleobases
uncovered
an
universal
mechanism
of
two-step
photo-deactivation
that
is
valid
for
all
investigated
ssDNA
bases,
extending
previous
studies
that
proposed
it
for
cytosine26
and
adenine.27
The
population
passes
from
an
initially
excited
bright
state
ππ∗
through
an
nπ∗ (dark)
state
to
the
ground
state
via
two
CIs;
the
dark
state
nπ∗
is
shared
by
all
nucleobases.
The
findings
were
enhanced
by
theoretical
modeling
of
2D
spectra
in
the
vicinity
of
two
CIs
and
excited
state
absorptions28,
which
closely
matched
the
experimental
spectra,
as
it
reproduced
the
two
peaks
with
opposite
signs
present
in
the
2DPE
experimental
spectra.
To
the
best
available
knowledge,
this
is
the
first
experimental
broadband
TA
and
2DPE
spectra
of
ssDNA
in
the
far
UV
ever
reported
in
literature.
By
comparing
the
experimental
TA
and
2DPE
spectra
of
single
nucleobases
and
DNA
strands,
the
intermediate
lifetime
increases
when
nucleobases
are
stacked
in
ssDNA,
and
the
amplitude
of
the
decay
associated
spectra
associated
with
the
longest
lifetime
also
increases.
This
findings
could
be
enriched
by
building
a
theoretical
framework,
as
well
as
continuing
the
experimental
work
toward
double
stranded
DNA.
Abstract:
Die
Photostabilität
der
DNA
ist
hochgradig
komplex
und
essentiell,
da
die
Dimerisierung
von
Nukleobasen
aufgrund
von
Photoanregung
zur
Bildung
von
(Haut-)krebs
führen
kann.
Daher
ist
es
wichtig,
die
physikalischen
Eigenschaften
der
DNA
zu
untersuchen,
um
biochemische
und
pathologische
Mechanismen
zu
verstehen,
wie
z.B.
den
Einfluss
von
UV-Strahlung
auf
die
Bildung
von
Hautkrebs,
welche
sich
auf
die
Photoprodukte
des
Thymins
zurückführen
lassen.1
In
diesem
Zusammenhang
wird
die
Anwesenheit
von
Exitonen
vermutet2-17,
und
die
Untersuchung
von
DNA
und
der
Anregungspfade
ihrer
Nukleobasen
wirft
eine
Reihe
neuer
Fragen
auf,
wie
z.B.
den
Einfluss
des
Lösungsmittels
in
der
Abgabe
von
Überschussenergie,
die
Wechselwirkung
verschiedener
Lösungsmittel
mit
den
einzelnen
Nukleobasen,
die
Unterschiede
zwischen
den
Nukleobasen
selbst,
und
letztlich
die
Möglichkeit
eines
universellen
Mechanismus.
Die
hier
vorliegende
Arbeit
verwendet
hochpräzise
spektroskopische
Methoden
-
breitbandige
elektronische
transiente
Absorptionsspektroskopie
(TA)
und
zweidimensionale
Photonenecho
(2DPE)
Spektroskopie -
um
die
beschriebenen
Zusammenhänge
zu
untersuchen.
Um
einen
möglichst
großen
Spektralbereich
abzudecken,
wird
breitbandige,
zeitaufgelöste
UV
Spektroskopie
verwendet,
da
diese
Technik
alle
Absorptionsbanden
von
DNA
und
ihrer
Nukleobasen
abdeckt.
Dies
ist
eine
experimentell
sehr
anspruchsvolle
Aufgabe
und
die
vorliegende
Arbeit
demonstriert
die
Möglichkeit,
diese
Herausforderungen
zu
meistern,
indem
ein
neuartiger
optischer
Aufbau
genutzt
wird,
welcher
fast
die
gesamten
tiefliegenden
Absoprtionsbanden
und
angeregten
Emissionsbanden
der
DNA
und
der
Nukleobasen
(250
bis
300
nm)
abdeckt.
Der
experimentelle
Aufbau
kann
sehr
kurzlebige
Dynamiken,
einschließlich
dem
Verhalten
von
Oszillatoren
in
Abhängigkeit
von
Ramanfrequenzen,
untersuchen,
da
es
sehr
breitbandig
ist
und
gleichzeitig
über
sehr
kurze
Pulsdauer
(6 − 8 fs fwhm),
in
Kombination
mit
einem
geschlossenen
Kreislauf
Drahtflüssigkeitsfilm,
verfügt.
Vor
den
zeitaufgelösten
Untersuchungen
wurde
eine
ausgiebige
Charakterisierung
der
Nukleobasen
und
kurzer
einzelsträngiger
DNA
(ss-DNA)
mit
statischer
Absoprtions-
sowie
Zirkulardichroismusspektroskopie
durchgeführt.
Diese
lineare
Spektroskopie-Studie
(Absorption
und
Zirkulardichroismus)
von
ssDNA
enthüllte
zwei
dominierende
elektronische
Anregungen
unterhalb
der
Absorptionsbande
bei
260
nm,
sowie
einen
linearen
Zusammenhang
zwischen
der
Zahl
der
Nukleobasen
in
einem
Einzelstrang
DNA
und
der
Dipolstärke.
Darüber
hinaus
ist
die
Delokalisation
der
Exitonen
abhängig
von
der
Länge
der
Oligomere.
Dies
variiert
jedoch:
In
Adenosin
ist
das
Exiton
nur
auf
den
nächsten
Nachbarn
lokalisiert,
wohingegen
in
(dT)n
und
(dAT)n
die
Reichweite
der
Delokalisierung
mit
der
Oligomerlänge
zunimmt.
Der
TA
und
2DPE
Aufbau
wurde
zunächst
anhand
von
Pyren,
einem
gut
untersuchtem
Farbstoff19-25,
getestet
und
charakterisiert.
Pyren
weist
ein
hohes
Diplolübergangsmoment,
klar
charakterisierte
elektronische
Übergänge,
eine
relativ
kleine
molekulare
Struktur
und
klare
Franck-Condon-Progressionen
auf.
Die
Untersuchung
von
Pyren
mittels
TA
und
2DPE
deutet
auf
zwei
mögliche
Mechanismen
der
Relaxation
auf.
Die
Anregung
in
den
S4
Zustand
bewirkt
eine
subpicosekunden
Relaxation
der
angeregten
Population
in
den
Phantomzustand
S3,
gefolgt
von
Abregung
in
den
S2
(8 ps)
und
schlussendlich
in
den
Lb
Zustand
(24
ps),
unter
der
Annahme
der
Eigenschaften
von
S1
im
Minimum;
die
Population
ist
dann
für
einen
längeren
Zeitraum
im
S1/Lb
Flaschenhals-Minimum
gefangen,
bevor
diese
in
den
Grundzustand
relaxiert.
Alternativ
gibt
es
eine
einzelne
konische
Verschneidung
zwischen
S3
und
Lb,
und
die
Fluorezenzstruktur
bei
350
−
368
nm
ist
stattdessen
mit
der
Relaxation
des
Lb
nach
der
konischen
Verschneidung
mit
dem
Phantomzustand
assoziiert;
der
S2
Zustand
ist
hierbei
nicht
involviert.
Weiterhin
haben
die
TA
und
2DPE
Untersuchungen
der
Nukleobasen
einen
universellen
Mechanismus
einer
aus
zwei
Schritten
bestehenden
Photodeaktivierung
hervorgebracht,
welcher
für
alle
untersuchten
ssDNA
Nukleobasen
gültig
ist
und
welcher
bisherige
Studien,
die
diesen
Mechanismus
für
Cytosin
26
und
Adenin
27
vorgeschlagen
haben,
erweitert.
Die
angeregte
Population
relaxiert
über
einen
zunächst
hellen
angeregten
Zustand
ππ∗
durch
einen
(dunklen)
Zustand
nπ∗
über
zwei
konische
Verschneidungen
(CI)
in
den
Grundzustand;
der
dunkle
Zustand
nπ∗
findet
sich
in
allen
Nukleobasen.
Diese
Ergebnisse
wurden
mittels
theoretischer
Berechnungen
der
2D
Spektren
in
der
Nähe
der
zwei
CI
und
den
Absorption
des
angeregten
Zustandes
vervollständigt.28
Diese
Simulationen
reproduzieren
die
experimentellen
Spektren
sehr
gut,
da
diese
die
zwei
Banden
mit
gegensätzlichem
Vorzeichen
aus
dem
experimentellen
2DPE
Spektren
reproduzieren.
Soweit
bekannt
sind
dies
die
ersten
experimentellen
breitbandigen
TA
und
2DPE
Spektren
von
ssDNA
im
tiefen
UV,
die
jemals
berichtet
wurden.
Der
Vergleich
von
experimentellen
TA
und
2DPE
Spektren
der
einzelnen
Nukleobasen
mit
DNA
Strängen
zeigt,
dass
die
Lebensdauer
sich
vergrößert,
wenn
Nukleobasen
in
gestapelter
Form
in
ssDNA
vorliegen
und
die
Amplitude
des
decay
associated
spectra
mit
der
assoziierten
längsten
Lebensdauer
auch
zunimmt.
Diese
Ergebnisse
könnten
erweitert
werden
mithilfe
weiterer
theoretischen
Modelle,
sowie
der
experimentellen
Untersuchungen
Doppelstrang-DNA.
