Stability and radioracemization of amino acids submitted to solid state radiolysis

A solid state radiolysis was conducted to examine the reactivity of amino acids towards high energy dose of gamma radiations. A total dose of 3.2 MGy was used to investigate the decomposition of amino acids and the radioracemization effect. The choice of the dose was made inspired by the work of Harold Urey [1], who made an intriguing calculation which is still valid today. According to Urey’s works amino acids (and other organics) buried at a depth of several meters in the bulk of Solar System bodies were submitted to high energy radiations derived from the decay of the naturally occurring radionuclides. The aim of this study is to investigate the amino acids capacity to survive such high γ-irradiation dose. We have started with the irradiation of proteinogenic amino acids and the study here presented is the case of irradiation of three essential amino acids: leucine, isoleucine and valine. We identified the radiation products formed in solid state radiolysis by mass spectrometric analysis and we were able to enlighten some common reactions. These reactions are particularly important to rationalize the formation of prebiotic molecules. Moreover, we studied the radioracemization process, the formation of D-enantiomer promoted by γ-irradiation.

L’ipotesi che la vita sulla Terra sia stata influenzata dalla caduta di meteoriti contenenti composti organici è stata avvalorata dalla scoperta nelle meteoriti di aminoacidi in eccesso enantiomerico, che hanno indirizzato la vita già esistente sulla Terra verso l’omochiralità. Nel corso della loro permanenza nel nucleo delle meteoriti, gli aminoacidi sono stati schermati dall’azione dei raggi cosmici da parte del cherogeno presente sulla meteorite. Contemporaneamente, però, essi sono stati sottoposti ad un’azione continua da parte dalle radiazioni ionizzanti emesse dai radionuclidi presenti nella meteorite, quali 26Al, 40K, 232Th, 235U, 238U. Si stima che nell’arco di vita del Sistema Solare (4,6x109 anni) gli aminoacidi sono stati sottoposti ad una dose di radiazioni di 14MGy. Le radiazioni ionizzanti sugli aminoacidi sono in grado di promuovere due fenomeni: la decomposizione chimica e la radioracemizzazione. La decomposizione indotta da radiazioni può dar luogo a prodotti nati dalla dissociazione dell’aminoacido con variazioni sostanziali tra i vari aminoacidi. La radioracemizzazione è un processo indotto dalle radiazioni che promuovono la racemizzazione degli enantiomeri: un enantiomero per effetto delle radiazioni viene trasformato nella miscela di ambo gli enantiomeri, in pari quantità. Scopo di questo lavoro è proprio quello di capire come e in che misura questi due processi avvengano ed in particolare correlare la decomposizione con il cambiamento dell’attività ottica. Gli aminoacidi sono stati dunque sottoposti ad una dose di 3,2 MGy di raggi gamma prodotti in Gammacell da nuclei di 60Co. I singoli aminoacidi sono stati irraggiati in fase solida, chiusi in vials separati gli uni dagli altri. In un primo tempo sono stati irraggiati i soli aminoacidi proteinici in presenza di aria. In seguito l’irraggiamento è stato effettuato in assenza di aria per aminoacidi proteinici e non. Infatti, la maggior parte degli aminoacidi presenti nelle proteine sono aminoacidi non proteinici. Con la spettrometria di massa si è cercato di comprendere la natura dei prodotti che si vengono a formare per irraggiamento degli amminoacidi. L’analisi in spettrometria di massa è condotta tramite una trappola ionica LXQ Finnegan dotata di sorgente ESI. L’analizzatore di massa, ion trap, ci permette di isolare gli ioni dei prodotti nati per irraggiamento e frammentarli per delucidarne la struttura (analisi MSn). L’interpretazione dello schema di frammentazione permette di determinare o ipotizzare la struttura dei nuovi prodotti dovuti all’irraggiamento. Per irraggiamento sono due i tipi di prodotti che si vengono a formare comunemente per tutti gli aminoacidi: i prodotti di decarbossilazione e i prodotti di deaminazione. Grazie alla possibilità di effettuare analisi sia in modalità anionica che cationica, è possibile identificare entrambi questi prodotti. Accanto ad essi vi sono tutta una serie di altri prodotti nati dalla formazioni di radicali dell’aminoacido, che rimanendo in vial per il tempo dell’irraggiamento, reagiscono tra di loro e con le molecole neutre. Questi prodotti possono o meno mantenere il centro chirale, giustificando così la discordanza tra i valori ottenuti con DSC e quelli ottenuti per ORD. La possibilità, poi, di accoppiare la spettrometria di massa ad un sistema HPLC dotato di colonna chirale ci ha permesso di evidenziare l’eventuale presenza dell’enantiomero D. Le analisi HPLC iniziali sono state fatte, per ora, solo per quegli aminoacidi per i quali si ipotizza una reale radioracemizzazione, cioè aminoacidi che presentano un alto valore di Nγ ed un più basso valore di Rγ. Le analisi svolte sono state effettuate con una colonna chirale a base di teicoplanina ed una fase mobile costituita dal 90% di metanolo e 10% di una soluzione 45 mM di acetato di ammonio. Per alcuni aminoacidi, quali il triptofano, è stato possibile mettere in evidenza la formazione dell’enantiomero D, ma si stanno ottimizzando le condizioni per migliorare la qualità della separazione enantiomerica, servendosi anche di una colonna a base di vancomicina. A supporto di queste tecniche sono stati anche fatti degli spettri IR mediante ATR (Attenuated Total Reflectance), i quali non hanno dato risultati soddisfacenti per l’identificazione di nuovi prodotti nati dall’irraggiamento, ad esclusione della cisteina. Nel campione irraggiato di cisteina, infatti, è stato possibile identificare la cistina, la cui presenza è stata poi confermata dagli spettri di massa.