Low Energy Electron Induced Reactions in Gas Phase Biomolecules: The Role of the Sugar- and Phosphate Moiety in DNA Damage

Abstract

To elucidate the molecular mechanisms of low energy electron induced DNA strand breaks, dissociative electron attachment (DEA) to different model compounds of the DNA (and RNA) backbone was investigated in the gas phase including the sugar and the phosphate moiety.

It was found that the free sugar D-ribose efficiently captures electrons close to zero eV and dissociates subsequently into various fragment anions by loss of neutral water and formaldehyde molecules. The use of the isotope labelled analogues 5-13C-D-ribose, 1-13C-D-ribose and C -1-D-D-ribose enabled an unambiguous assignment of the generated fragment ions. Furthermore it was demonstrated that C5 is selectively excised from the sugar ring as a formaldehyde molecule close to zero eV electron energy. In DNA C5 of the sugar unit is directly connected to a phosphate group. The threshold signals are explained by the initial formation of a dipole bound state that serves as a doorway to dissociation.

An essential question is to which degree the results that are obtained on a single building block of DNA can be transferred to the situation when the corresponding unit is coupled in the DNA/RNA molecular network. In that respect tetraacetyl-D-ribose was investigated, which can be regarded as substantially improved model for the sugar bound within DNA. It was found that the threshold signals of the isolated sugar are preserved leading to an abstraction of all acetate groups following electron attachment. In addition to the signals that are attributed to the sugar ring, a π* shape resonance was identified at 1 3 eV located on the acetate groups, which results in further fragmentation products.

The response of the phosphate group to low energy electrons was studied by means of phosphate esters, viz., dibutylphosphate and triethylphosphate. It was observed that electron attachment into the π* orbitals of the phosphate group occurs at energies below 3 eV accompanied with P-O and C-O bond breaking, and a core excited resonance is located at 7 10 eV. The abstraction of a whole butyl group from dibutylphosphate at 2 4 eV and 7 10 eV is due to a C-O bond cleavage, which would correspond to a strand break in DNA.

To judge which resonances and reactions of the individual parts of DNA are preserved in larger systems, it is vitally important to study DEA to molecules such as sugar-phosphates, nucleosides and nucleotides. Due to the thermal fragility of these compounds a new experimental setup was constructed that allows the investigation of DEA to thermal labile biomolecules employing laser induced acoustic desorption (LIAD). To evaluate the performance of the new experiment, DEA to bromouracil and thymidine was studied. Finally, electron attachment to D-ribose-5-phosphate was investigated and an attachment of near 0 eV electrons to both the phosphate group and the sugar unit was found followed by a cleavage of the phosphate-sugar linkage leading to the formation of H2PO4- and [Ribosephosphate-H2PO3]- , respectively.

In the work presented here it was demonstrated that all building blocks of the DNA backbone capture electrons at 0 12 eV with subsequent dissociation. The highest ion yields were found at subexcitation energies (< 4 eV). Different reaction mechanisms were suggested that could explain the previously determined ( Phys. Rev. Lett. , 2004, 93 , 068101), well-structured yield functions of low energy electron induced strand breaks in plasmid DNA.

Um die molekularen Mechanismen von DNA-Strangbrüchen aufzuklären, die durch niederenergetische Elektronen induziert werden, wurde die dissoziative Elektronenanlagerung (DEA) an Modellsubstanzen für das DNA- (und RNA-) Rückgrat untersucht. Das beinhaltet sowohl die Zucker- als auch die Phosphateinheit.

Es wurde herausgefunden, dass der isolierte Zucker D-Ribose effektiv Elektronen nahe 0 eV einfängt und danach durch Verlust von neutralen Wasser- und Formaldehydmolekülen in verschiedene Fragment-Anionen zerfällt. Die Verwendung der isotopenmarkierten Analoga 5-13C-D-ribose, 1-13C-D-ribose und C -1-D-D-ribose ermöglichte eine eindeutige Zuordnung der beobachteten Fragmentionen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass das Kohlenstoffatom C5 des Zuckers selektiv in Form eines Formaldehydmoleküls bei Elektronenenergien nahe 0 eV abgespalten wird. In der DNA ist das Kohlenstoffatom C5 direkt an die benachbarte Phosphatgruppe gebunden. Die beobachteten 0 eV - Signale können durch die anfängliche Bildung eines dipolgebundenen Zustands erklärt werden, der dann zur Dissoziation führt.

Eine zentrale Fragestellung betrifft die Übertragbarkeit von Ergebnissen, die von einer einzelnen Untereinheit der DNA erhalten wurden, auf die Situation, wenn die entsprechende Einheit im molekularen Netzwerk der DNA/RNA eingebunden ist. Um diesem Problem nachzugehen, wurde Tetraacetyl-D-Ribose untersucht, die als wesentlich besseres Modell für den Zuckerbaustein in DNA dient als der isolierte Zucker. Es konnte gezeigt werden, dass die Signale bei 0 eV erhalten bleiben und in diesem Molekül nach Elektroneneinfang sogar zur Abspaltung aller Acetylgruppen führen. Zusätzlich zu den Signalen, die auf den Zuckerring zurückzuführen sind, wurden π* shape \- Resonanzen bei 1 3 eV nachgewiesen, die auf den Acetylgruppen lokalisiert sind und weitere Fragmentierungen zur Folge haben.

Die Wechselwirkung von niederenergetischen Elektronen mit der Phosphatgruppe wurde mit Hilfe der organischen Phosphatester Dibutylphosphat und Triethylphosphat untersucht. Es wurde ein Elektroneneinfang vom π * - Orbital der Phosphatgruppe unterhalb von 3 eV beobachtet, der zu verschiedenen C-O und P-O-Bindungsbrüchen führt. Zusätzlich wurde eine core excited \- Resonanz bei Energien von 7 10 eV nachgewiesen. Die Abspaltung einer gesamten Butylgruppe aus Dibutylphosphat bei 2 4 eV und 7 10 eV kommt durch einen C-O-Bindungsbruch zustande, der im Falle einer in der DNA gebundenen Phosphatgruppe einem Strangbruch entspricht.

Um zu beurteilen, welche Resonanzen und Reaktionsmechanismen der einzelnen DNA-Bausteine auch in größeren Systemen erhalten bleiben, ist die Untersuchung von Molekülen wie Zucker-Phosphaten, Nukleosiden und Nukleotiden dringend erforderlich. Aufgrund der thermischen Empfindlickeit dieser Substanzen wurde ein neues Experiment konstruiert, das die Untersuchung von DEA an thermisch labile Biomoleküle durch Anwendung von Laser-induzierter akustischer Desorption (LIAD) erlaubt. Um die Leistungsfähigkeit des neuen Experiments zu testen, wurde DEA an 5-Bromuracil und Thymidin gemessen. Schließlich wurde die Elektronenanlagerung an D-Ribose-5-Phosphat studiert, bei der ein Einfang von Elektronen nahe 0 eV sowohl von der Phosphatgruppe als auch von der Zuckereinheit festgestellt wurde, der zur Bildung der Fragmentionen H2PO4- beziehungsweise [Ribosephosphat-H2PO3]- führt.

Es konnte gezeigt werden, dass alle Untereinheiten des DNA-Gerüstes Elektronen im Energiebereich von 0 bis 12 eV einfangen und dann vielfältige Dissoziationsreaktionen eingehen. Die größten Ionenausbeuten wurden bei Energien unterhalb von elektronischer Anregung, also unter 4 eV, erhalten. Es wurden verschiedene Reaktionsmechanismen für die Entstehung von Strangbrüchen in Plasmid-DNA durch niederenergetische Elektronen vorgeschlagen, die die von Sanche et al. ( Phys. Rev. Lett. , 2004, 93 , 068101) gemessenen Ausbeutekurven erklären können.