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Etats excités de systèmes d’intérêt biologique : vers une dynamique ultrarapide de conformères sélectionnés – ESBODYR

MECANISMES NON-RADIATIFS DE DESACTIVATION DE MOLECULES D’INTERET BIOLOGIQUE

Le challenge expérimental consiste à développer de nouvelles procédures expérimentales (IR ns/UV ns-fs, Gouttelettes d'hélium) afin de détecter et d'identifier le paysage conformationel de biomolécules grâce à leur spectroscopie IR. Le but ultime est ensuite d’en appréhender la dynamique. Le challenge théorique pour la spectroscopie et la dynamique des états excités réside dans le nombre d'états de nature très différente qui doivent être décrits simultanément de façon équilibrée et précise.

Dynamique électronique de systèmes d’intérêt biologique : une approche duale expérience-théorie

Alors que l'absorption de la lumière par les biomolécules est omniprésente dans la nature et utilisée dans de nombreux domaines de recherche, la compréhension des processus ultrarapides sous-jacents suivant l'absorption des photons est encore limitée. Dans ce projet, la dynamique électronique des états excités de systèmes pertinents sur le plan biologique (peptides isolés et hydratés ou complexes modèles pour la reconnaissance chirale) a été abordée par une approche duale expérience-théorie. Une stratégie théorique <br />originale à plusieurs étapes et plusieurs niveaux a été développée afin de modéliser de manière précise les surfaces d’énergie potentielle des états excités de ces systèmes. En parallèle, de nouvelles procédures <br />expérimentales couplant la mesure de la dynamique de l'état excité par des techniques de nano-, pico et femtochimie avec la sélectivité en conformère apportée par la spectroscopie IR ou sa variante en gouttelettes d'hélium ont été mises en oeuvre. Ce projet contribue à une meilleure compréhension de la dynamique des états excités suite à une absorption lumineuse et ces processus de conversion de l’énergie présentent un champ d’application très vaste.

Les premiers états excités de différente nature des systèmes bio-pertinents doivent être décrits de manière équilibrée et précise. Une approche théorique novatrice a donc été développée. Tout d'abord, des simulationsde dynamique non-adiabatique utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) ont été réalisées. Les profils énergétiques des mécanismes de désactivation ainsi identifiés ont ensuite été calculés à un plus haut niveau de théorie, i.e. niveau « Coupled Cluster » au second ordre (CC2). Enfin, ce niveau de théorie a été validé par comparaison avec une méthode multiréférence en orbitales localisées. En parallèle, les spectroscopies IR/UV de double résonance et UV/UV résolue en temps ont été utilisées pour obtenir des informations sur la structure et la dynamique de ces systèmes. Au-delà des régimes nano- et picoseconde, des études exploratoires du régime femtoseconde ont été menées afin de traiter les états excités à durée de vie ultra-courte. En outre, afin de détecter toute la population conformationnelle de ces systèmes et
notamment avoir accès aux conformères non-ionisables par impulsion UV nanoseconde, la spectroscopie IR en gouttelettes d'hélium a été adaptée à ces systèmes.

Développée sur de petits peptides, la stratégie de calcul innovante combinant dynamique non-adiabatique et méthodes mono-/multiréférence sert maintenant à modéliser les surfaces d'énergie potentielle d’états excités de peptides de plus grande taille, de peptides hydratés ou de complexes moléculaires. La spectroscopie IR en gouttelettes d’hélium qui a été adaptée à ces systèmes est maintenant opérationnelle contrairement à la spectroscopie IR/UV à double résonance en régime femtoseconde qui est toujours en cours de développement. En revanche, la spectroscopie IR des états excités a été implémentée.

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Ce projet a donné lieu à ce jour à 9 publications et un article de vulgarisation. Par ailleurs, 1 publication est soumise, 3 sont en préparation et 4 sont à venir. Un site web dédiée à ce projet a été
construit et est opérationnel depuis Juillet 2016 (http://iramis.cea.fr/meetings/ESBODYR/index.php). Les avancées et résultats de ce projet ont été présentés lors de 13 conférences invitées, 9 communications orales et 13 communications par affiche. Enfin, 23 actes de diffusion ont été produits (3 rapports de stage M2 et 20 séminaires).

De nombreux systèmes moléculaires complexes absorbent la lumière dans l’UV, certains d’extrême importance pour la biologie, comme les bases de l’ADN ou les protéines. Les états excités peuplés par l’absorption UV bénéficient de mécanismes de désactivation d’importance majeure pour la photostabilité de ces espèces. Ces processus, souvent ultrarapides, offrent un moyen rapide et efficace de dissiper l’excitation électronique sous forme de vibration, évitant ainsi les réactions photochimiques.
Les objectifs du projet sont de caractériser les états excités de systèmes pertinents sur le plan biologique et d’établir la nature des mécanismes de relaxation non radiative. L’originalité du projet, qui implique des physiciens de la phase gazeuse, des physico-chimistes ainsi que des théoriciens, réside dans la synergie de l’approche entre expérience et théorie. Centré sur une série de molécules flexibles d’intérêt biologique, qui présentent de multiples conformations, le projet étudiera notamment le lien entre dynamique électronique et structure.
Du point de vue expérimental, la spectroscopie IR/UV menée avec des lasers nanoseconde est utilisée en routine pour obtenir des informations croisant structure (notamment le contenu en liaisons H) et dynamique. Elle n’est cependant plus applicable aux conformères présentant des durées de vie très courtes (< 1 ps), qui alors indétectables, sont «manquants » dans les expériences en nanoseconde. Ce cas est malheureusement relativement fréquent dans le cas des molécules d’intérêt biologique, ce qui rend difficile la comparaison entre expérience et théorie. Le premier objectif sera donc de déployer des procédures expérimentales nouvelles afin de détecter et caractériser ces espèces à partir de leur spectroscopie IR, en particulier en utilisant la spectroscopie de photoélectrons, qui favorise la sensibilité à la conformation; le but ultime étant d’enregistrer séparément à l’échelle fs la dynamique de chaque conformère. En parallèle, la spectroscopie IR en gouttelettes d’hélium sera mise en œuvre durant le projet et appliquée à une série de molécules flexibles, avec pour avantage unique sa sensibilité à l’ensemble de la population conformationelle.
Du point de vue théorique, le défi est double : i) identifier, dans ces molécules complexes, les mouvements critiques favorisant la relaxation électronique et ii) décrire simultanément d’une façon équilibrée et précise des états électroniques multiples de nature très différente. C’est pourquoi le projet propose une approche innovante en deux étapes. D’abord des simulations de dynamique non-adiabatique basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps suggèreront des chemins possibles de relaxation conduisant à la désactivation. Ces chemins seront ensuite raffinés, à un niveau de théorie plus élevé, en recourant à deux méthodes ab initio, les méthodes standard Coupled Cluster et une méthode originale d’interaction de configuration multiréférence utilisant les orbitales localisées.
Les résultats expérimentaux sur des conformères précis pourront être directement comparés aux études théoriques, autorisant une rétroaction efficace entre les deux approches. Il en résultera : i) une attribution précise des processus photophysiques dans des molécules conceptuellement importantes, ii) une validation des calculs des états excités par comparaison avec les données expérimentales, ou, encore, avec résultats théoriques obtenus à l’aide de méthodes de chimie quantique de très haut niveau.
Ce projet interdisciplinaire devrait contribuer à une meilleure compréhension de la dynamique des états excités suite à une absorption lumineuse et promouvoir le développement technique des méthodes de simulation décrivant le devenir de l’énergie absorbée. Ces processus de conversion de l’énergie sont d’une importance fondamentale et présentent un champ d’application potentiel englobant notamment la photochimie, la biologie ou la science des matériaux.

Coordinateur du projet

Madame valérie BRENNER (Laboratoire Francis Perrin CEA-CNRS)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LCPQ UMR5626 Laboratoire de CHimie et Physique Quantique UMR5626
ISMO UMR8214 Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay UMR8214
LFP URA2453 Laboratoire Francis Perrin CEA-CNRS

Aide de l'ANR 470 000 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 36 Mois

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