Spectroscopie et contrôle cohérents de systèmes biologiques à l'aide d'impulsions infrarouges femtosecondes – Infra2D

La spectroscopie multidimensionnelle optique est la transposition en spectroscopie optique non-linéaire de la résonance magnétique à deux dimensions. Après notre première démonstration expérimentale dans le cas de la réponse non-linéaire du second-ordre, cette méthode a été développée dans de nombreux laboratoires à la fois dans les domaines visible et infrarouge. Nous avons depuis continué à contribuer au dévelop¬pement de cette nouvelle discipline par la mise en œuvre d'une spectroscopie 2D visible / infrarouge et par le développement d'une nouvelle méthode de caractérisation d'impulsions infrarouges. Par sa faculté à produire des graphes bidimensionnels faisant directement ressortir les couplages entre modes vibrationnels, la spectroscopie multidimensionnelle présente des perspectives très intéressantes pour la biologie, notamment dans le domaine de la dynamique structurale des protéines. La partie de ce projet concernant la spectroscopie cohérente porte sur l'utilisation de la spectroscopie infrarouge, notamment la spectroscopie infrarouge à deux dimensions, en vue d'étudier le couplage entre un ligand et la protéine environnante. Lorsque la fréquence de vibration du ligand est dans une fenêtre de transparence du spectre infrarouge de la protéine, seuls les modes de vibrations couplés au ligand contribueront au spectre 2D dans la zone d'intérêt, réduisant ainsi considérablement sa complexité et sa difficulté d'interprétation. La partie de ce projet concernant le contrôle cohérent porte sur l'excitation d'un ligand par ascension vibrationnelle cohérente, une approche que nous avons été les premiers à démontrer dans une protéine. Nous pensons pouvoir améliorer considérablement l'efficacité du processus en utilisant des impulsions de forme plus élaborées et en utilisant un cristal protéique plutôt qu'une solution. Les deux aspects du projet sont fortement lié puisque le processus d'ascension vibrationnelle dépend fortement des couplages intramoléculaires. Les méthodes expérimentales de la spectroscopie infrarouge cohérente ont effectué ces dernières années des progrès considérables, notamment : le développement de la spectroscopie infrarouge multidimensionnelle, le développement d'une nouvelle méthode de mesure de champs infrarouges à l'aide de détecteurs CCD visibles par conversion de fréquence, la démonstration de façonnage direct d'impulsions infrarouges. En utilisant et en continuant à développer ces méthodes émergentes, nous étudierons la dynamique d'hémoprotéines à l'aide de spectres infrarouges à une, deux et trois dimensions. Nous étudierons des ligands comme le monoxyde de carbone, soit liés à l'hème soit lors de leur transit dans la protéine, sur des échelles de temps allant de 100 fs à 1 ms. De plus, en exploitant notre meilleure compréhension des couplages intramoléculaires, nous espérons pouvoir améliorer l'efficacité du processus d'ascension vibrationnelle, tant en solution que dans des cristaux protéiques. Nous mesurerons les couplages vibrationnels au sein de la poche de l'hème dans des protéines comme l'hémoglobine, la myoglobine, FixL ou la cytochrome c oxydase, à l'aide de spectroscopie 2D dans l'infrarouge moyen ou lointain. Ces résultats seront intéressant pour cerner les limitations de processus d'excitation dans l'infrarouge comme l'ascension vibrationnelle cohérente. Nous observerons également le transit du ligand après sa dissociation de l'hème jusqu'à sa sortie de la protéine, à l'aide de spectroscopie infrarouge 1D et 2D sur une vaste échelle de temps s'étendant de 100 fs à 1 ms.