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Chimie déclenchée par des photons de haute énergie – HighEneCh

Chimie déclenchée par des photons de haute énergie

Le projet HighEneCh ANR vise à initier et à organiser une collaboration entre des spécialistes de la spectroscopie d’électrons (SOLEIL, UMPC-LCP-MR), de la chimie des rayonnements (CEA-NIMBE), des systèmes micro fluidiques (CEA-NIMBE) et de simulation de dynamique moléculaire ab-initio (UMPC-IMPMC), dans le but d’approfondir les connaissances fondamentales des différents mécanismes impliqués dans la chimie en milieux aqueux induite par des photons de haute énergie.

Vers une vision globale de la radiolyse de l'eau pure et de mélanges eau / biomolécules, irradiés avec des rayons X-, et impliquant des effets chimiques liés à l’ionisation en couche interne

L'irradiation avec des photons de haute énergie produit des espèces chargées et neutres qui sont à l’origine des dommages biologiques, via des processus directs et indirects. L'originalité de notre consortium est de combiner des méthodes de quantification de pointe pour la détection d'espèces radicalaires avec la spectroscopie d’électrons sur des liquides, le tout soutenu par des simulations, afin d’élucider les mécanismes fondamentaux de l'interaction de photons de haute énergie avec des biomolécules entourées d’eau.

La détection des radicaux sera basée sur des méthodes de piégeage chimique qui seront utilisées pour quantifier la production de radicaux OH et HO2, dans des conditions d'irradiation différentes. Dans un premier temps, les études d'irradiation seront réalisées en partie avec une version améliorée d'une chambre expérimentale mobile (IRAD), qui intégrera une nouvelle cellule microfluidique, afin d'avoir un contrôle parfait des conditions anaérobies.
Les études de spectroscopie d’électrons sur les liquides seront réalisées à l’aide d’une nouvelle chambre mobile (MultiSpec), où un microjet liquide à recyclage sera couplé avec des spectromètre d’électrons. La récupération de l'échantillon irradié est cruciale pour le projet, car elle permettra d’effectuer des mesures analytiques hors ligne (rendement de fluorescence, spectrométrie de masse) sur cet échantillon. Nous prévoyons également de recycler la solution, dans un système en boucle fermé, afin d'augmenter progressivement la dose moyenne et de suivre son évolution chimique. Nous envisageons également d 'appliquer des techniques de coïncidence à la spectroscopie d’électrons sur les liquides, pour identifier clairement les différentes structures des spectres Auger et ainsi mieux comprendre les effets du solvant, lors des processus de désexcitation du trou créé en couche interne.
L’étroite collaboration avec des théoriciens sera un élément précieux. Nous allons étudier les premiers moments de la dissociation des molécules d'eau ionisées et de sucres phosphates dans de l’eau, sur une échelle allant de la femto à la picoseconde.

Les modifications provoquées par la solvatation sur la structure électronique d’une protéine modèle, le sérum d’albumine bovin (BSA) et le rôle joué par l‘eau dans la délocalisation du trou dans la protéine ont été mis en avant. Une méthodologie de mesure du diagramme d’énergétique d’une protéine a été établie. Les distributions énergétiques des électrons Augers émis en solution ont pu être déterminée en fonction de la spécificité chimique du photoélectrons émis dans différentes molécules grâce aux mesures en coïncidences. Une nouvelle cellule microfluidique pour l’irradiation a permis de déterminer les taux de production des radicaux OH° et superoxide (HO2) et de confirmer, grâce au support théorique, que les rayon X-mous se comportent comme des particules à haut transfert d’énergie linéique.

Avec le projet HighEneCh, notre consortium augementra de manière significative la compréhension des mécanismes chimiques fondamentaux déclenchés par l’ionisation en couche interne dans de l’eau pure et des mélanges eau / biomolécule irradiés par des rayons X mous/durs. Notre projet devrait apporter une vision globale des espèces neutres et chargées créées par cette irradiation. Il fournira d'importantes données expérimentales pour simuler les processus directs et indirects, qui influenceront tous deux les dommages biologiques.
Le projet HighEneCh fournira aux équipes de recherche intéressées par les mécanismes chimiques fondamentaux qui se produisent pendant l'irradiation, deux montages expérimentaux bien caractérisées (IRAD et MultiSpec) et des schémas de détection robustes pour la détection de particules neutres et chargées. Il ne fait aucun doute que le projet HighEneCh suscitera de nouvelles collaborations et de nouvelles études sur des systèmes plus complexes.
Les résultats du projet HighEneCh déboucheront également sur de nouvelles connaissances fondamentales en micro / nano-dosimétrie. À long terme, nos protocoles et techniques devraient être utiles pour évaluer l'efficacité des nano-agents en solution, par exemple, la sensibilité relative d'un nano-agent à la réduction de certaines espèces d'oxygène réactif dans la solution. Ces études fondamentales aideront à fournir une base solide à la chimie des rayonnements, ce qui pourrait conduire à une médecine personnalisée plus efficace.

Dans l’article [Int. J. of Mol. Sciences., 23(15): art.n° 8227. (2022)] une comparaison de la spectroscopie d’électron de la BSA solvatée et solide a été effectuée apportant des informations sur la modification de sa structure électronique par les molécules d’eau. L’article [accepté dans PCCP] présente le nouveau spectromètre d’électron et les premiers résultats des mesures de coïncidences photo/Auger électrons sur de petites molécules solvatées. L’article [J of Phys. Chem. A., 124(10): 1896-1902. (2020)] montre la complémentarité entre les simulations Monte-Carlo et l’irradiation avec des X-mous permettant une description de la radiochimie provoqués par des électrons d’énergie sub-keV. L’article [J. of Syn. Rad., 28(3): 778-789. (2021)] présente la cellule microfluidique adaptée pour l’irradiation et détail les paramètres expérimentaux importants à prendre en compte et confirme les résultats obtenus en cellule sans circulation.

Huart L., Fournier M., Dupuy R., Vacheresse R., Reinhardt M., Cubaynes D., Céolin D., Hervé du Penhoat M.A., Renault J.P., Guigner J.-M., Kumar A., Lutet-Toti B., Bozek J., Ismail I., Journel L., Lablanquie P., Penent F., Nicolas C. and PalaudouxFirst J. “(e,e) coincidence measurements on solvated sodium benzoate in water using a magnetic bottle time-of-flight spectrometer”, , accepted to PCCP, 2022.

Renault, J.P., Huart, L., Milosavljevic, A.R., Bozek, J.D., Palaudoux, J., Guigner, J.M., Marichal, L., Leroy, J., Wien, F., Hervé Du Penhoat, M.A., Nicolas, C. «Electronic Structure and Solvation Effects from Core and Valence Photoelectron Spectroscopy of Serum Albumin« International Journal of Molecular Sciences., 23(15): art.n° 8227. (2022).

«Effets d’ionisation en couche interne sur des molécules d’intérêt biologique en milieu aqueux«: thèse de Lucie Huart sous la direction de Marie-Anne Hervé du Penhoat, Jean-Philippe Renault et de Christophe Nicolas. - Sorbonne université. Soutenue le 17 janvier 2022.

Huart, L., Nicolas, C., Hervé du Penhoat, M.A., Guigner, J.M., Gosse, C., Palaudoux, J., Lefrançois, S., Mercere, P., Dasilva, P., Renault, J.P., Chevallard, C. «A microfluidic dosimetry cell to irradiate solutions with poorly penetrating radiations: a step towards online dosimetry for synchrotron beamlines« Journal of Synchrotron Radiation., 28(3): 778-789. (2021).

Huart, L., Nicolas, C., Kaddissy, J.A., Guigner, J.M., Touati, A., Politis, M.F., Mercere, P., Gervais, B., Renault, J.P., Hervé du Penhoat, M.A. «Soft X-ray Radiation and Monte Carlo Simulations: Good Tools to Describe the Radiation Chemistry of Sub-keV Electrons« Journal of Physical Chemistry A., 124(10): 1896-1902. (2020).

Le projet HighEneCh ANR vise à initier et à organiser une collaboration entre des spécialistes de la spectroscopie d’électrons (SOLEIL, UMPC-LCP-MR), de la chimie des rayonnements (CEA-NIMBE), des systèmes micro fluidiques (CEA-NIMBE) et de simulation de dynamique moléculaire ab-initio (UMPC-IMPMC), dans le but d’approfondir les connaissances fondamentales des différents mécanismes impliqués dans la chimie en milieux aqueux induite par des photons de haute énergie.
Pendant les 48 mois du projet HighEneCh, à l'aide d'approches complémentaires, le consortium souhaite obtenir une vision globale de la radiolyse de l'eau pure et de mélanges eau / biomolécules, irradiés avec des rayons X-mous/durs, en mettant particulièrement l'accent sur les effets chimiques liés à l’ionisation en couche interne. L'irradiation avec des photons de haute énergie produit des espèces chargées et neutres qui sont à l’origine des dommages biologiques, via des processus directs et indirects. L'originalité de notre consortium est de combiner des méthodes de quantification de pointe pour la détection d'espèces radicalaires avec la spectroscopie d’électrons sur des liquides, le tout soutenu par des simulations, afin d’élucider les mécanismes fondamentaux de l'interaction de photons de haute énergie avec des biomolécules entourées d’eau.
La détection des radicaux sera basée sur des méthodes de piégeage chimique qui seront utilisées pour quantifier la production de radicaux OH et HO2, dans des conditions d'irradiation différentes. Dans un premier temps, les études d'irradiation seront réalisées en partie avec une version améliorée d'une chambre expérimentale mobile (IRAD), qui intégrera une nouvelle cellule microfluidique, afin d'avoir un contrôle parfait des conditions anaérobies.
Les études de spectroscopie d’électrons sur les liquides seront réalisées à l’aide d’une nouvelle chambre mobile (MultiSpec), où un microjet liquide à recyclage sera couplé avec des spectromètre d’électrons. La récupération de l'échantillon irradié est cruciale pour le projet, car elle permettra d’effectuer des mesures analytiques hors ligne (rendement de fluorescence, spectrométrie de masse) sur cet échantillon. Nous prévoyons également de recycler la solution, dans un système en boucle fermé, afin d'augmenter progressivement la dose moyenne et de suivre son évolution chimique. Nous envisageons également d 'appliquer des techniques de coïncidence à la spectroscopie d’électrons sur les liquides, pour identifier clairement les différentes structures des spectres Auger et ainsi mieux comprendre les effets du solvant, lors des processus de désexcitation du trou créé en couche interne.
Nos études iront de l'eau pure à des mélanges d'eau et de biomolécules comme le 5 ribose phosphate et le 2-désoxyribose 5-monophosphate, une molécule biomimétique du squelette de sucre-phosphate de l’ADN.
L’étroite collaboration avec des théoriciens sera un élément précieux. Nous allons étudier les premiers moments de la dissociation des molécules d'eau ionisées et de sucres phosphates dans de l’eau, sur une échelle allant de la femto à la picoseconde. Pour étayer les résultats expérimentaux de la production de radicaux HO2 dans de l'eau pure, nous modéliserons d’abord la dynamique induite par l’ionisation de l’oxygène en couche K, à partir de configurations impliquant une molécule d'eau doublement ionisée et une autre, distante de quelques nanomètres de la première, étant simplement ionisée. En effet, les électrons (Auger, photoelectron) sont éjectés avec une énergie cinétique de quelques centaines d'électrons-volts ; leur libre parcours moyen étant de quelques nanomètres dans l'eau, cette configuration est donc très probable dans le cas d’une ionisation en couche interne. Les résultats, simulés par des méthodes de dynamique Moléculaires ab initio, seront utilisés comme données d'entrée pour la simulation «Kinetic Monte-Carlo» qui permet d'étudier la chimie intervenant jusqu'à la microseconde.

Coordination du projet

Christophe NICOLAS (SYNCHROTRON SOLEIL)

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

NIMBE Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie
LCP-MR Laboratoire de Chimie Physique - Matière et Rayonnement
SOLEIL SYNCHROTRON SOLEIL
IMPMC Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie

Aide de l'ANR 692 426 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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