Spectroscopie 2DUV: un nouvel outil pour l'étude de biomolécules – Femto-2DNA

La spectroscopie femtoseconde bi-dimensionnelle électronique (2DES) est une nouvelle technique d’optique non-linéaire qui a le potentiel de suivre les interactions dans un système à plusieurs chromophores, avec une résolution temporelle et spectrale inégalée. En résolvant les signaux non-linéaires sur deux axes de fréquence, elle fournit, en grande analogie avec la résonance magnétique nucléaire bi-dimensionnelle, des informations qui sont inaccessibles par la traditionnelle spectroscopie pompe-sonde femtoseconde. Jusqu’à présent, la spectroscopie femtoseconde bi-dimensionnelle était surtout implémentée pour l’infrarouge (sondant des transitions vibrationnelles) et le domaine du visible (limité à des chromophores absorbant la lumière visible). Ici, nous proposons d’étendre la 2DES dans le domaine du proche UV (280 – 400 nm, DUV), la gamme spectrale dans laquelle des systèmes bio-moléculaires à multiples chromophores, tels que des protéines ou l’ADN, présentent des bandes d’absorption intenses.
Nous allons développer les outils expérimentaux et théoriques pour l’étude de l’hétérogénéité structurelle de l’état fondamental et de la dynamique des processus se produisant à l’état excité de séquences d’ADN, de protéines et de leurs agrégats, y compris des interactions avec des chromophores exogènes.
La 2DUV peut aller au-delà des limitations de la RMN (faible résolution temporelle), ou des techniques 1D comme le dichroïsme circulaire ou la spectroscopie infra-rouge (élargissement inhomogène) ou la fluorescence résolue en temps (lien manquant entre cinétiques et structures d’un point de vue quantitatif).
Les outils expérimentaux et théoriques qui seront développés dans ce projet vont donner accès à un nouveau degré de connaissance et de compréhension des propriétés moléculaires de systèmes biologiques in vitro et de leur processus fonctionnels. Des preuves de concept seront présentées pour deux systèmes sélectionnés.
FEMTO-2DNA est un projet de 4 ans qui se situe dans le domaine de la science moléculaire ultra-rapide qui connaît actuellement une très forte évolution scientifique et technologique. Ici, la spectroscopie femtoseconde bi-dimensionnelle et la spectroscopie attoseconde uni-dimensionnelle sont les développements actuels les plus importants. 2DES et 2DUV connaissent un développement soutenu dans des laboratoires académiques, en particulier pour l’étude de systèmes moléculaires possédant des chromophores en interaction électronique. Mais, autant que nous sachions, à l’heure de cette rédaction la 2DUV n’est pas développé en France. Aujourd’hui, il ressort aussi que ces nouvelles méthodes expérimentales ne puissent s’interpréter et s’exploiter pleinement que si elles s’accompagnent d’un traitement théorique rigoureux et d’une modélisation précise. Ainsi, Femto-2DNA a pour objectif d’aller au-delà de l’état de l’art actuel en spectroscopie ultra-rapide et de faire avancer notre compréhension de systèmes multi-chromophoriques biologiques, en franchissant les limitations des approches expérimentales et théoriques actuelles .
Ce projet repose sur la collaboration de trois partenaires qui contribuent avec leurs savoir-faire distincts et complémentaires: i) développement du montage expérimental de la 2DUV avec des pulses d’excitation sub-20 fs et des impulsions de sonde à spectres larges (S. Haacke, coordinateur du projet), ii) de nouvelles méthodes de calcul de structure électronique de larges systèmes moléculaires, et iii) les outils de simulation pour prédire et extraire toutes les informations pertinentes des spectres électroniques 2D (M. Garavelli, ENS Lyon).