Dual Functionality of 6-Methylthioguanine: Synergistic Effects Enhancing the Photolability of DNA Nucleobases

碱基 化学 系统间交叉 激发态 量子产额 从头算 光化学 单线态氧 三重态 DNA 激进的 单重态 荧光 分子 氧气 生物化学 有机化学 物理 量子力学 核物理学
作者
Qian Zhou,Yuxia Hao,Jialong Jie,Shuo Wang,Ye Xia,Chunfan Yang,L.H. Liu,Wei‐Hai Fang,Hongmei Su
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacsau.3c00575
摘要

A small chemical modification of the nucleobase structure can significantly enhance the photoactivity of DNA, which may incur DNA damage, thus holding promising applications in photochemotherapy treatment of cancers or pathogens. However, single substitution confers only limited phototoxicity to DNA. Herein, we combine femtosecond and nanosecond time-resolved spectroscopy with high-level ab initio calculations to disentangle the excited-state dynamics of 6-methylthioguanine (me6-TG) under variable wavelength UVA excitation (310–330 nm). We find that double substitution of nucleobases (thionation and methylation) boosts the photoactivity by introducing more reactive channels. Intriguingly, 1nNπ*, rather than 1nSπ*, acts as the doorway state engendering the formation of the long-lived reactive triplet state in me6-TG. The 1nNπ* induces a low spin–orbit coupling of 8.3 cm–1, which increases the intersystem crossing (ISC) time (2.91 ± 0.14 ns). Despite the slowed ISC, the triplet quantum yield (ΦT) still accounts for a large fraction (0.6 ± 0.1), consistent with the potential energy surface that favors excited-state bifurcation to 1nNπ*min (3.36 ± 0.15 ps) rather than 1ππ*min (5.05 ± 0.26 ps), such that the subsequent ISC to triplet via 1nNπ*min constitutes the main relaxation pathway in me6-TG. Although this ΦT is inferior to its single-substituted predecessor 6-thioguanine (6-TG, 0.8 ± 0.2), the effect of thionation in synergy with methylation opens a unique C–S bond cleavage pathway through crossing to a repulsive 1πσ* state, generating thiyl radicals as highly reactive intermediates that may invoke biological damage. This photodissociation channel is extremely difficult for conventional nucleobases. These findings demonstrate the synergistic effects of double functionality substitution in modulating excited-state dynamics and enhancing the photolabile character of DNA nucleobases, providing inspirations for the rational design of advanced photodynamic and photochemotherapy approaches.
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