– ProMeTHz

Les métaux jouent un rôle fondamental en biologie en catalysant une large gamme de réactions très spécifiques dans plus d'un tiers des enzymes. Dans les métalloprotéines, la réactivité des sites métalliques résulte d'un équilibre subtil entre nature chimique et disposition spatiale des ligands. C'est l'ensemble de la protéine qui régule ainsi la force des interactions métal-ligand. Il est donc d'un intérêt fondamental d'étudier en détails ces paramètres qui contrôlent la réactivité des sites métalliques. La spectroscopie vibrationnelle est particulièrement bien adaptée pour donner des informations essentielles sur la liaison métal-ligand. Jusqu'à présent, seule la spectroscopie de résonance Raman a été très utilisée. Elle est cependant strictement limitée à l'étude de sites métalliques possédant des transitions dans le domaine UV-Vis. La spectroscopie infrarouge (IR) en mode différentiel, en permettant de sonder directement tous les sites métalliques avec une grande sensibilité est très prometteuse. Contrairement au Raman, elle ne nécessite pas la présence de bandes d'absorption dans le visible et tous les sites métalliques dans tous les états redox lui sont accessibles. Cependant, jusqu'à présent, la spectroscopie différentielle dans le domaine IR lointain, domaine des vibrations métal-ligand (10-200 µm), n'a pratiquement pas été exploitée pour étudier les métalloprotéines, car elle se heurte à des difficultés à la fois techniques et d'interprétation. Nous sommes à présent en mesure de rassembler un potentiel des moyens importants pour dépasser ces difficultés. Le but de ce projet est de réunir un consortium interdisciplinaire de biochimistes, physiciens, et chimistes théoriciens, pour développer la spectroscopie différentielle dans le domaine IR-lointain à THz, et étudier les forces d'interaction métal-ligand dans les métalloprotéines. Ce développement sans précédent implique la mise au point de dispositifs expérimentaux originaux. De nouvelles cellules de mesure seront développées pour les spectromètres de laboratoire et pour exploiter la brillance de la ligne IR-lointain THz AILES du synchrotron SOLEIL. Ces dispositifs permettant l'utilisation d'optiques purgées donneront accès à une forte sensibilité ainsi qu'à la résolution spectrale nécessaire pour l'analyse précise des vibrations métal-ligand dans les protéines. Ce projet implique également une stratégie combinant expérience et modélisation. Les calculs de chimie théorique mettront en oeuvre des méthodes traitant les électrons de façon explicite (DFT et post HF) sur des modèles des sites actifs de petite taille, ainsi que des approches mixtes QM (pour le site actif) et MM (pour l'environnement), sur l'ensemble de la protéine. Cette approche permettra de prédire les modes normaux de vibration métal-ligand, et d'identifier l'influence de motifs structuraux à distance du métal sur les forces de ces liaisons. L'approche de DFT a été récemment validée par une des équipes du projet, en particulier sur des complexes Cu-histamine. Les calculs et analyses sur un large spectre de structures à cuivre seront validés en lien étroit avec les données expérimentales obtenues sur une métalloprotéine à cuivre très bien étudiée, l'azurine. Ces développements sur la spectroscopie IR dans le domaine lointain seront appliqués à l'étude de deux métalloprotéines essentielles dans la protection cellulaire contre le stress oxydant et en particulier pour l'élimination du très toxique radical superoxyde. L'élimination des espèces activées de l'oxygène dont fait partie le superoxyde est essentielle au bon fonctionnement de tous les organismes vivant en présence d'O2. Toute carence ou disfonctionnement de ces systèmes de protection peut conduire à des pathologies graves chez l'homme comme la dégénérescence cellulaire, et contribuent au vieillissement cellulaire. Il est donc essentiel de comprendre le fonctionnement de ces systèmes antioxydants. Les deux enzymes étudiés seront la superoxyde réductas