The mystery of sub-picosecond charge transfer following irradiation of hydrated uridine monophosphate

文献情報

出版日 2021-08-25
DOI 10.1039/D0CP06482C
インパクトファクター 3.676
著者

Aurélien de la Lande, Sergey Denisov, Mehran Mostafavi


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要旨

The early mechanisms by which ionizing rays damage biological structures by so-called direct effects are largely elusive. In a recent picosecond pulse radiolysis study of concentrated uridine monophosphate solutions [J. Ma, S. A. Denisov, J.-L. Marignier, P. Pernot, A. Adhikary, S. Seki and M. Mostafavi, J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9, 5105], unexpected results were found regarding the oxidation of the nucleobase. The signature of the oxidized nucleobase could not be detected 5 ps after the electron pulse, but only the oxidized phosphate, raising intriguing questions about the identity of charge-transfer mechanisms that could explain the absence of U+. We address here this question by means of advanced first-principles atomistic simulations of solvated uridine monophosphate, combining Density Functional Theory (DFT) with polarizable embedding schemes. We contrast three very distinct mechanisms of charge transfer covering the atto-, femto- and pico-second timescales. We first investigate the ionization mechanism and subsequent hole/charge migrations on a timescale of attoseconds to a few femtoseconds under the frozen nuclei approximation. We then consider a nuclear-driven phosphate-to-oxidized-nucleobase electron transfer, showing that it is an uncompetitive reaction channel on the sub-picosecond timescale, despite its high exothermicity and significant electronic coupling. Finally, we show that non-adiabatic charge transfer is enabled by femtosecond nuclear relaxation after ionization. We show that electronic decoherence and the electronic coupling strength are the key parameters that determine the hopping probabilities. Our results provide important insight into the interplay between electronics and nuclear motions in the early stages of the multiscale responses of biological matter subjected to ionizing radiation.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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