Dynamic behavior of secondary electrons in liquid water at the earliest stage upon irradiation; Implications for DNA damage localization mechanism

放射線照射初期過程における水中の2次電子の動力学的挙動; DNA損傷局在化機構の推定

甲斐 健師   ; 横谷 明徳*; 鵜飼 正敏*; 藤井 健太郎*; 渡邊 立子*

Kai, Takeshi; Yokoya, Akinari*; Ukai, Masatoshi*; Fujii, Kentaro*; Watanabe, Ritsuko*

放射線照射により細胞中で生成された低エネルギー2次電子は、生物影響を誘発する複雑なDNA損傷生成に関与すると考えられている。本研究では、DNA損傷の推定を行うために、水中における低エネルギー2次電子の動力学的挙動の数値計算による理論的研究を実施した。計算結果から、水中で減速した電子は、親イオンのクーロン場に徐々に引きつけられ、数百fs程度になると親イオンから半径2nm以内の領域に12.6%の電子が分布することが示された。更に、親イオンから半径1nm以内において、電離と電子的励起が主に誘発され、その衝突数は全体の約40%となる。これらの解析結果から、もしDNA内部から低エネルギー2次電子が放出されると、複雑なDNA損傷が、電離や電子的励起に加え、解離性電子移行により生成され得ることを提案した。このような複雑なDNA損傷は、最終的に細胞死や染色体異常のような生物影響の誘発に関与する可能性がある。

Low energy secondary electrons produced by an ionizing radiation in a living cell may involve in formation of complexed DNA damage. We performed theoretical study for numerical calculation of dynamic behavior of the electrons to imply a formation of radiation damage to DNA. The decelerating electrons are gradually attracted to their parent cations by the Coulombic force within hundreds of fs, and about 12.6 % of electrons are finally distributed within 2 nm from the cations. The collision fraction of the ionization and excitation within 1 nm from the cation was estimated to be about 40 %. From those analyses, we suggested a process of DNA damage that the secondary electrons may cause highly localized lesions around a cation in DNA molecule through additional dissociative electron transfer as well as the ionization or the excitation if the electrons are ejected from DNA. The localized damage may involve ultimately in biological effects such as cell death or mutation induction.