Vliv parametrů prostředí na poškození plasmidu DNA ionizujícím zářením

Abstract

Plasmidy jsou v radiobiologii využívány mimo jiné i jako přiblížení pro DNA v jádře buňky. Přitom jsou ale běžně uchovávány a ozařovány v podmínkách, které se od těch v buňce značně liší. Pokud by to mělo vliv i na výtěžky poškození DNA plasmidu ionizujícím zářením, znevěrohodňovalo by to přenositelnost závěrů experimentů z plasmidů na buňky. Cílem práce je zkoumat vliv okolního prostředí, konkrétně teploty prostředí a kon-centrace sodných iontů, na radiační výtěžky poškození plasmidu. Teoretická část se zabývá možnostmi a principy použití Monte Carlo track structure kódů v modelování fyzikální, fyzikálně–chemické a chemické fáze účinku ionizujícího záření. Metody a softwarové nástroje vyvinuté nebo uzpůsobené pro vyřešení zadání popisuje část Materiály a metody. Pro zkoumání vlivu okolního prostředí na radiační výtěžky byla vytvořena aplikace využívající Geant4–DNA knihovny a procesy, které umožňují simulovat chemickou fázi účinků ionizujícího záření a zároveň pracovat s atomární strukturou plasmidu. Pomocí softwarových nástrojů pro tvorbu worm-like chain modelu byla vytvořena knihovna hrubých struktur plasmidů pBR322 a pUC19. Její analýzou bylo zjištěno, že teplota prostředí nemá na vlastnosti konfigurace významný vliv, oproti tomu koncentrace sodných iontů ano. Ze struktur byly následně vygenerovány modely na atomární úrovni a ty byly použity pro modelování výtěžků poškození plasmidu DNA protony o energiích50 keVaž10 MeV a 1,25 MeV fotony. Vliv teploty a koncentrace sodných iontů byl hodnocen prostřednictvím separační vzdálenosti pro dvojný zlom. U protonů do1 MeV ze simulací vychází, že na plasmidech v roztoku s vyšší koncentrací sodných iontů vzniká přibližně o třetinu poškození více a vliv parametrů prostředí na přenositelnost výsledků do buněčného prostředí nelze zanedbat. Pro fotony nebylo možné závislost kvůli nedostatečné statistice výsledků posoudit.

Plasmids are used in radiobiology, among other things, as an approximation of nuclear DNA. Meanwhile, they are stored and irradiated in environmental conditions which are considerably different from those in cells. Should this difference affects yields of plasmid DNA damage by ionizing radiation, it would discredit theportability of results of experiments from plasmids to cells. This work aims to study the influence of the environment, namely the temperature of the environment and concentration of sodium ions in solution, on yields of radiation damage of plasmid. The theoretical part explains the possibilities and principles of Monte Carlo track structure codes in modelling physical, physico-chemical, andchemical phases of the effect of ionizing radiation. Newly developed and adapted methods and software tools for solving the assignmentare described in Materials and methods. To examine the effect of the environmental conditions on yields of plasmid damage by ionizing radiation, an applicationwas developed using Geant4-DNA libraries and processes. Simulation of physical,physico-chemical, and chemical phases of the effect of ionizing radiation can be runwith this application using the atomic structure of plasmid. Library of the worm-like chain models of plasmids pUC19 and pBR322 was generated with software tools. No big influence of the temperature on the characteristic of the configuration of plasmid was found by analysis of the library. Compared to that,the concentration of sodium ions affects the characteristic. The atomic models ofplasmids were generated from these structures. They were used in the simulation of yields of radiation damage of plasmid by protons with energies between 50 keV and10 MeV a 1,25 MeV photons. The influence of the temperature of the environment and concentrations of sodium ions was evaluated by changing of separation distancefor the double-strand break. A one-third increase in the yield of radiation damage was found at plasmids with higher concentrations of sodium ions for protons with energy under 1 MeV. So, theinfluence of environmental parameters on the portability of results to cells cannot be neglected. There was no dependence on photon yields because of insufficient statistics of hits.