Ultrafast UV spectroscopy of primary photoinduced processes in biomolecules

Since the discovery of double helix DNA structure in 1953, the understanding of the inner workings of the cell has seen tremendous growth. With various tools we gained insight into the molecular structures of DNA, amino acids and proteins. In parallel, the advancements in laser technology kept opening new ways of studying all kinds of matter, with both steady state and time-resolved techniques. Recently, developments in ultrafast optics opened a path towards sub-picosecond temporal resolution measurements across the spectrum. In this work, we have built a UV transient absorption spectroscopy setup for investigation of ultrafast photoinduced dynamics in biomolecules at the fastest timescales. The setup features a tunable sub-20-fs UV pump pulse and a broadband probe pulse, for high temporal resolution probing in a wide range of energies. The obtained experimental results were compared each time with advanced computations done by our collaborators. We have applied this methodology in three main studies. First, we compare the photophysics of uridine and 5-methyluridine, two nucleosides differing only by the presence of methyl group. After years of scientific debate, our results solve the remaining questions and correctly assign the observed time constants to the corresponding phenomena, explaining how 5-methyluridine decays an order of magnitude longer than uridine. In the second study, we turn our interest towards a group of epigenetic derivatives of deoxycytidine, which are responsible for regulating gene expression. We systematically map out the excited state decay pathways and asses how different substitutions modify the response. Finally, we look at the earliest photoinduced events in tryptophan, the brightest chromophore among the aromatic amino acids. We find that the high sensitivity to solvent environment governs the relaxation dynamics, which extends its possible applications as a local probe of protein behavior to the ultrafast timescales. Our findings prove that the technology of ultrafast UV spectroscopy is now mature enough to study more and more complex systems, which with theoretical support can be disentangled and shed light on plethora of fascinating processes in biomolecules.

Dalla scoperta della struttura a doppia elica del DNA nel 1953, la comprensione del funzionamento interno della cellula ha visto una crescita enorme. Con vari strumenti siamo riusciti a comprendere le strutture molecolari del DNA, degli aminoacidi e delle proteine. In parallelo, i progressi nella tecnologia laser hanno continuato ad aprire nuovi modi di studiare tutti i tipi di materia, sia con tecniche stazionarie che con tecniche risolte nel tempo. Recentemente, gli sviluppi nell'ottica ultraveloce hanno permesso di effettuare misure con una risoluzione temporale inferiore al picosecondo in tutto lo spettro. In questo lavoro, abbiamo costruito un setup di spettroscopia di assorbimento transiente UV per l'indagine delle dinamiche ultraveloci fotoindotte in biomolecole sulle scale temporali più veloci. Le caratteristiche del setup includono un impulso di pompa UV variabile e un impulso di sonda a banda larga, per ottenere una alta risoluzione temporale per una vasta gamma di energie. I risultati sperimentali ottenuti sono stati confrontati ogni volta con calcoli avanzati fatti dai nostri collaboratori. Noi abbiamo applicato questa metodologia in tre studi principali. In primo luogo, abbiamo confrontato la fotofisica di uridina e 5-metiluridina, due nucleosidi che differiscono solo per la presenza del gruppo metile. Dopo anni di dibattito scientifico, i nostri risultati risolvono le questioni rimanenti assegnando correttamente le costanti di tempo osservate ai fenomeni corrispondenti, spiegando come 5-metiluridina decade con un ordine di grandezza più lungo dell'uridina. Nel secondo studio, rivolgiamo il nostro interesse verso un gruppo di epigenetici derivati della desossicitidina, che sono responsabili della regolazione dell'espressione genica. Mappiamo sistematicamente i percorsi di decadimento dello stato eccitato e valutiamo come diverse sostituzioni modificano la risposta. Infine, esaminiamo i primi eventi fotoindotti nel triptofano, il cromoforo più luminoso tra gli aminoacidi aromatici. Troviamo che l’alta sensibilità all'ambiente governa la dinamica di rilassamento, che estende le sue possibili applicazioni come sonda locale del comportamento delle proteine alle scale temporali ultrarapide. I nostri risultati dimostrano che la tecnologia della spettroscopia UV ultrarapida è ora abbastanza matura per studiare sistemi sempre più complessi, che con il supporto teorico può essere districato e far luce su una pletora di processi affascinanti nelle biomolecole.