Origine moléculaire et modulation de la couleur de bioluminescence chez la luciole – BIOLUM

La vision et les autres processus de communication basés sur l'utilisation de la lumière sont omniprésents dans la nature. Parmi tous les mécanismes moléculaires responsables de l'émission de lumière (par exemple la fluorescence, la phosphorescence ...), la chemiluminescence et son processus analogue dans les organismes vivants, la bioluminescence, sont intéressants en raison de leur origine moléculaire: l'énergie chimique convertie en énergie lumineuse. Ainsi il faut remarquer que la lumière émise constitue une signature de la réaction chimique sous-jacente. Cette propriété a inspiré le développement de nombreuses techniques analytiques dans des applications biomédicales (par exemple en imagerie) via l'utilisation d'analogues de molécules typiques émettrices de lumière (présentes chez les lucioles, les coléoptères, les méduses, ...) Parce que ces analogues présentent des propriétés photochimiques similaires à leurs homologues naturels (appelés luminophores), ils émettent généralement une lumière de couleur bleu ou vert, alors que le jaune ou le rouge restent rare. La conception d'émetteurs de lumière bio-inspirés nécessite une meilleure compréhension des facteurs responsables au niveau moléculaire de la modulation de la couleur émise. Comme parfaitement illustré par la conception de systèmes inspirés par la protéine fluorescente verte (GFP, Prix Nobel de chimie 2008) et présentant des propriétés photophysiques optimales, il est d'une importance primordiale de comprendre en profondeur les interactions entre les espèces photo-actives et leur environnement protéinique. Cette caractérisation est nécessaire au développement de techniques analytiques très sensibles utilisant la bioluminescence dans des domaines que les sciences de l'environnement, les sciences médicales, l'analyse des aliments pour n'en citer que quelques-uns. Le projet BIOLUM vise à combiner des recherches fondamentales de pointe, aussi bien théoriques qu'expérimentales, pour évaluer l'importance de deux facteurs impliqués majoritairement dans la modulation de la couleur émise: 1) la structure du luminophore et ses interactions avec la protéine, 2) le pH. C'est en croisant les informations obtenues lors de l'étude de la luciférine native ou modifiée présente dans l'enzyme luciférase de la luciole que nous obtiendrons une meilleure compréhension des mécanismes à l'œuvre dans la modulation de la couleur émise. L'accent sera notamment mis sur 1) la caractérisation des structures de luciférines natives ou modifiées dans la cavité de la luciférase, 2 ) la détermination des étapes photochimiques pertinentes menant à l'émission de lumière, 3) l'étude des transferts de protons importants entre l'oxyluciférine (comme est appelée la structure de la luciférine précédant l'émission de lumière) et divers donneurs et accepteurs et 4) la détermination des acides aminés de la protéine qui sont cruciaux dans le contrôle de la couleur émise. Enfin, les connaissances acquises permettront de suggérer de nouvelles pistes pour la conception rationnelle de systèmes chemi- et bio-luminescents synthétiques de couleurs contrôlées.