国外低能离子与有机体相互作用研究进展.ppt

低能离子与有机体相互作用国外研究进展冯慧云 余增亮 朱剑豪 中科院、安徽省离子束生物工程学重点实验室香港城市大学,低能粒子在宇宙空间、各类地表面中广泛存在或发生 宇宙射线的大气“簇射”、雷电、衰变 肿瘤治疗:各类粒子与靶组织相互作用的径迹产生低能二次粒子；高能离子射程末端区域 宇航生命支撑：宇宙高能粒子慢化后击中并沉积在宇航员身体细胞内，具有潜在的致突致癌性 分子起源与进化：宇宙低能粒子轰击各类星体的冰状表面形成星际分子、近地生物突变2000以后，一种普遍接受的观点是：高能离子对生物体辐射损伤实际上是一系列低能事件（甚至低至几到几十eV)的综合结果。D.Michael,P.ONeill,Science 287(2000)1603.,研究背景,低能离子对于水分子的损伤效应,keV能量的原初粒子与含水的生物体作用，产生具有热动能的解离片断fragment ion spectroscopy,低能离子引起气态水分子的片断化和电离,低能离子引起气态水分子的片断化和电离 keV能量的原初粒子与含水的生物体作用，产生具有热动能的解离片断,fragment ion spectroscopy,水分子经4keV He2+碰撞产生的碎片的能谱。检测角度分别为25,90,和 135。H碎片能量为15eV左右。B.Seredyuk et al,Phys.Rev.A 71(2005)022705-7.,50-400keV/amu的H+和C3+引起水分子解离产生各类分子片断的反应截面。对于H+,主要的反应产物是H2O+(电离化，部分解离）,(H2O+)(OH+)(O+)对于C3+,完全解离，形成更多的H+和O+,低能离子引起气态水分子的片断化和电离反应截面 重离子比轻离子的解离效率要高,低能粒子辐射水冰的研究 水冰的溅射以及新的化合物的生成，解释地球上生命化学起源、星际分子形成机制的重要研究手段,离子束辐射水冰的实验装置 G.A.Baratta et al,NIMB 209(2003)283.,实验室模拟宇宙低能粒子辐射水及各种简单溶液冰的研究,30keV C+辐射水冰生成H2O2和CO2、CO，与木卫二观察结果一致 G.Strazzulla et al,Icarus 164(2003)163.,低能粒子辐射水冰的研究,不同离子辐射水冰形成H2O2的产额与离子剂量的关系，Ar+最高，H+最低，且剂量达到一定值后饱和。O.Gomis et al,Planet Space Sci.52(2004)371.,低能粒子辐射水及各种简单溶液冰的研究,30keV He+辐射N2:H2O:CH4 60keV Ar2+辐射N2:H2O:CH3OH和混合溶液冰的红外图谱 N2:CH3OH混合溶液冰的图谱,G.Strazzulla et al,NIMB 166-167(2000)13.,质量沉积效应：只要试验系统中含氮，不管来自注入离子还是本底元素，都有一定几率形成含氮基团,He+和Ar2+辐射含N、O、C的混合冰的红外光谱N+辐射仅含C、H、O的混合冰的红外光谱,G.Strazzulla et al,NIMB 166-167(2000)13.,实验室模拟宇宙低能粒子辐射水及各种简单溶液冰的研究,离子注入简单分子合成含氮化合物，包括氨基酸和核苷酸 Ar+注入H2O:N2，生成NO2,NO,N2O Ar+注入N2:H2O:CH4,生成CO2,HNCO,N2O,CO,HCN,CH2N2 N+注入只含C和O的靶生成R-OCN和HCN N+注入醋酸钠和丙二酸钠合成甘氨酸 N+注入琥珀氨酸合成甘氨酸 和天冬氨酸注入元素可与本底元素共同参与反应，形成新的化合物甚至是级联的合成反应。氰基类化合物如HCN，HNC，HNCO，NH3，NH4OCN，NH4CN可能与生物分子如氨基酸和多肽的早期合成相关 M.H.Moore et al.Icarus 161(2003)486-500.,T.Schlatholter,F.Alvarado,R.Hoekstra Nucl.Instrum.Meth.B 233(2005)62.,4 keV/amu Cq+(q=16)轰击 胸腺嘧啶离子电荷数与碎片能量的关系,电荷效应：,keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤,离子与DNA/RNA分子相互作用,DNA/RNA组成分子:Ion fragment spectroscopy，离子片断质谱,DNA链:DNA lesions,SSB,DSB,AFM原子力,electrophoresis电泳,sequence analysis序列分析,细胞内的DNA:mutation,in situ DSB assay(DSB原位检测）,Comet assay彗星电泳,sequence analysis,Fragmentation,ionization of bases碱基分子电离、片断化,Radiolysis of Water 水的辐射裂解,机理：Secondary electron emission，二次电子发射,keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤,F.Alvarado,Physical Chemistry Chemical Physics 8(2006)1922.,keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤,Cylindrical electron analyser,Total electron detector,Oven样品加热,Ion Time of flight spectrometer飞行时间质谱,Ion beam 1-150keV*Continuous*Pulsed 5ns连续或脉冲离子束,High resolution electron spectrometer高分辨电子质谱检测,keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤,Fragmentation,ionization of bases and sugar,5 keV/amu He+轰击腺嘌呤(a)和脱氧核糖(b)所产生的分子碎片的质谱图；腺嘌呤比脱氧核糖要稳定。F.Alvarado et al,Phys.Chem.Chem.Phys.,8(2006)1922.,200keV Xe10（上图）和400keV Xe20（下图）轰击胸腺嘧啶所产生的分子碎片的质谱图。B.Manil et al,Nucl.Instru.Meth.B.205(2003)666.,keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤,Fragmentation,ionization of bases and sugar,特征：丰富的阳离子和阴离子基团产生，既有低分子量的单原子离子，也有大的靶分子碎片。,keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤,Fragmentation,ionization of bases and sugar,50keV H+轰击尿嘧啶分子形成的产物的质谱图,不同能量的质子轰击尿嘧啶分子后，沉积于尿嘧啶分子的能量（计算所得）,keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤,Fragmentation,ionization of bases and sugar,100eV Ar+轰击胸腺嘧啶碱基(a)、脱氧核糖(b)和胸腺嘧啶核苷(c)所产生的分子碎片的质谱图。Zongwu Deng et al,Physical Review Letters 95(2005):153201.,10-100eV Ar+轰击胸腺嘧啶薄膜引起阳离子和阴离子碎片产生所需的入射Ar+能量阈值。产生阳离子片断所需的Ar+能量阈值为15-20eV,比产生阴性离子片断所需能量要低。脱氧核糖的解离产物最为丰富，解离产额较高，所需的入射离子能量阈值也较低。对于100eV Ar+,每个入射离子可引起6个胸腺嘧啶碱基的解离。,Z.W.Deng et al,J.Chem.Phys.123(2005)144509-9.,keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤,Fragmentation,ionization of bases and sugar,keV离子引起DNA/RNA结构损伤机理,Electron spectroscopy:H+(100keV)+Uracil100keV H+轰击尿嘧啶分子，形成的二次电子质谱检测,Increase of with collision energy形成的二次电子的能量随入射离子能量增加而增加,低能离子与生物分子相作用 二次电子产生 DNA损伤,keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤,低能离子与生物分子相作用 二次电子,E20eV,E20eV,20eV以下能量的二次电子引起DNA链断裂的规律,10eV以上能量的二次电子作用于四种碱基分子反应截面,keV离子引起体外裸露DNA的链断裂,1keV Ar+辐射PUC18质粒DNA1：真空室外对照；24：真空对照；56：辐射4min；7：辐射8min；8：辐射15min；9：辐射21min；10：辐射32min,keV离子引起体外裸露DNA的链断裂,4keV Ar+辐射PUC18质粒DNA.78：真空室外对照；1和5：真空对照；24和6：辐射样品S.Lacombe et al,Phys.Med.Biol.49(2004)N65.YDSB/YSSB1,keV离子引起体外裸露DNA的链断裂,30keV N+辐射pGEM3zf(+)质粒DNA YDSB/YSSB1更多的DNA碎片产生Y.Zhao et al,NIMB 211(2003)211.,离子束与细胞：刻蚀对生物个体进行结构分析,固定化的哺乳动物细胞，低能低剂量离子束刻蚀以暴露其内部结构，用于高分辨率的扫描电镜观察 G.de Stasio et al,Microscopy Res.Technique 63(2004)115.,离子束与病毒：刻蚀对病毒进行结构分析,未经离子束刻蚀的样品免疫标记(B细胞中的胰岛)后SEM观察效果。（上图）镀Pt膜；（下图）镀C膜,免疫染色后经轻微离子束刻蚀的样品SEM观察效果.N:细胞核；GA：高尔基体；B：B 细胞；Ex：外分泌泡,J.Yahiro et al,Microscopy Res.Technique 67(2005)240.,利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析,病毒衣壳中遗传物质包装机制的确定 棒状病毒、T4、烟草花叶，球状病毒人类腺病毒2 J.C.Brown et al.,PNAS 66(1992).,Ar+刻蚀人类腺病毒，病毒粒子直径与随Ar+刻蚀时间增加而减小,Ar+刻蚀后暴露出病毒衣壳的内部核心颗粒小体，呈2重、3重和5重对称分布,利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析,对照(A)和5keV N+刻蚀 40s(B)、100s(C)的T4病毒颗粒,20、30、50keV N+刻蚀不同时间后，T4病毒颗粒头部的尺寸,利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析,T4病毒离子束刻蚀后，其35S标记的蛋白和3H标记的核酸的相对活性，显示蛋白的损失速率大于核酸,利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析,Ar+刻蚀不同时间的病毒DNA的电泳图,Ar+刻蚀后的病毒DNA的1kB以下片断的杂交分析.A：与完整的病毒DNA杂交（对照）B：与刻蚀得到的1KB以下的小片断杂交,利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析,电泳条带强度扫描定量分析结果,病毒基因组主要限制性酶切图谱,病毒基因组不同位置的DNA在刻蚀不同时间后的剩余量,利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析,用完整病毒颗粒进行刻蚀与用裸露病毒DNA进行刻蚀，DNA损失速率的比较,离子束介导转基因,(Color)Analysis of transferred pGEM-T easy and pGFP plasmids in ion-bombarded E.coli strain DH5.(a)The E.coli without pGEM-T(1),and with the transferred pGEM-T(2),(b)Expression of green fluorescent protein in E.coli.The E.coli without pGFP(1),and with the transferred pGFP(2),(c)Measurement of molecular size of pGEM-T easy in gel electrophoresis.(d)Measurement of molecular size of pGFP in gel electrophoresis.,-S.Anuntalabhochai and R.ChandejAPPLIED PHYSICS LETTERS,78(16)2001,pGEM,pGFP,Mol.weight,Molecular detection proves the genesto E.coli and express in them,Mol.weight,谢谢大家！,