Etats Excités et Dynamique de Complexes de Re(I) Fonctionnalisés en Interaction avec des Métalloprotéines: Nouvelles Méthodes Théoriques pour la Simulation et le Contrôle des Propriétés à l'Etat Excité dans un Environnement Biologique – DeNeTheor

DeNeTheor est basé sur la combinaison de plusieurs expertises: i) Calcul de structure électronique par des méthodes précises de la mécanique quantique pour l'étude des états excités dans des chromophores complexes (métaux de transition); ii) Simulation de dynamique réactionnelle basée sur des approches de dynamique quantique (paquets d'onde) et de dynamique moléculaire ab initio; iii) Modélisation des environnements biologiques par méthodes QM/MM

Interface entre SHARC, programme développé pour décrire la dynamique moléculaire non-adiabatique incluant les couplages spin-orbite, et la théorie time-depdendent TD-DFT-
Exploiter l'approche mixte QM/MM dans le cadre de SHARC afin de prendre en compte des effets d'environnement complexes (eau, ADN, protéines)

Résoudre le mécanisme de transfert d'électrons accéléré dans des protéines modifiées de cuivre en interaction avec des chromophores de type complexe des métaux de transition, processus à caractère multi-échelle en temps et dans l'espace

Publications - réunions et ateliers scientifiques - codes de calcul - nouvelles connaissances

Le projet DeNeTheor est centré autour du développement de nouvelles stratégies de calcul capables de modéliser et de simuler des systèmes moléculaires photosensibles dans des environnements complexes de type protéines ou macromolécules. L’objectif de ce projet est d’étudier les états excités et la dynamique des processus photo induits dans une série de complexes de Re(I) incorporés dans des mutants de protéines de cuivre bleu. En effet, la nature des ligands coordinnés au centre métallique combinée à une structure d’environnement complexe va contrôler des fonctions spécifiques telles le transfert d’électron, la luminescence ou l’isomérisation potentiellement déclenchées par la lumière au sein du chromophore de Re(I), trouvant de nombreuses applications en science des matériaux ou en biologie moléculaire.
De nouvelles méthodes théoriques et stratégies de calcul multi-échelle basées sur la mécanique quantique (QM), la dynamique quantique (QD), la mécanique moléculaire (MM) et la dynamique moléculaire (MD) seront développées pour traiter ces systèmes. Les effets de couplage spin-orbite et vibroniques seront pris en compte dans les simulations de dynamique au niveau du chromophore de Re(I) isolé et en présence d’un environnement de complexité croissante.
Ce projet ambitieux sera mené à bien en combinant les compétences de trois équipes possédant des expertises complémentaires : (1) le calcul des états électroniques excités dans les complexes des métaux de transition avec des méthodes « état de l’art » (Strasbourg), (2) la simulation de la dynamique des processus par propagation de paquets d’onde (Strasbourg) et avec des méthodes ab initio MD (AIMD) (Vienne) et (3) la description d’environnements complexes avec des techniques QM/MM (Nancy). Les compétences des équipes partenaires dans les méthodes QM, QD, AIMD et QM/MM seront réunies pour développer des techniques capables de décrire les propriétés des états électroniques excités et leur réactivité avec une précision raisonnable, leur dynamique dans des échelles de temps allant de la femtoseconde (fs) à quelques centaines de picosecondes (ps), et leur interaction avec un environnement spécifique qui peut les façonner et les modifier. Ce projet de consortium renforcera les recherches collaboratives ainsi que les échanges de savoir faire et de compétences, ce qui devrait conduire à la réalisation des objectifs suivants :
i) Développement de nouveaux schémas de calcul adaptés aux environnements biologiques combinant les méthodes QM/MM et AIMD pour décrire les processus dans les états excités ;
ii) L’exploitation de méthodes QM très précises, prenant en compte les interactions spin-orbite dans une approche QM/MM ;
iii) La production et la dissémination de protocoles de calcul originaux pour modéliser les propriétés photoniques et les processus photo-induits ;
iv) L’exploration des interactions entre complexes des métaux de transition et structures biologiques sources de fonctions spécifiques contrôlées par la lumière.

DeNeTheor renforcera la coopération et le transfert de connaissances entre les trois partenaires et facilitera la participation et la qualification des jeunes chercheurs impliqués. Le consortium ajoute une plus-value certaine puisque l’objectif ambitieux du projet ne pourrait être mené à terme par un seul des partenaires.