Spectroscopie infrarouge femtoseconde 2D dans des flavoenzymes par différence de fréquences intra-impulsion à 125 kHz – MIRTHYX

En raison de sa sensibilité aux fluctuations ultra-rapides et aux couplages entre modes vibrationnels, la spectroscopie infrarouge bidimensionnelle (2DIR) a produit au cours des vingt dernières années une mine d'informations sur les réactions chimiques et biochimiques. Par ailleurs, de récents progrès en technologies biomoléculaires permettent aujourd’hui de substituer n’importe quel résidu arbitrairement choisi au sein d’une protéine par un acide aminé non naturel. Enfin, les nouvelles sources pompées par diode comme celles développées par Amplitude Laser sont en train de révolutionner les technologies femtosecondes, en particulier en association avec des méthodes optiques non-linéaires de compression ou de différence de fréquences. Le projet MIRThyX repose sur ces trois piliers, la haute cadence et la stabilité des sources infrarouges ainsi développées permettant d’appliquer la spectrocopie 2DIR à l’étude de ThyX, grâce à l’utilisation de sondes vibrationnelles locales qui seront substituées à des résidus stratégiques de la protéine.

Les travaux menés depuis le lancement du projet ont porté sur l’optimisation de la source d’impulsions infrarouges, avec la conception et le test de diverses méthodes de génération originales. Un nouveau spectromètre 2DIR est également en cours de développement afin de mettre en place un balayage rapide du retard adapté à la haute cadence des lasers pompés par diode.

Au-delà de l’étude de l’enzyme ThyX faisant l’objet d’étude principal du projet, le dispositif expérimental ainsi développé rendra possibles des études similaires dans nombre de systèmes biochimiques. En outre, les méthodes de génération et de caractérisation d’impulsions infrarouges ainsi que les nouvelles spectroscopies ainsi mises en œuvre pourront donner lieu à la valorisation d’instruments innovants.

A ce stade le projet n’a pas encore donné lieu à publications.

En raison de sa sensibilité aux fluctuations ultra-rapides et aux couplages entre modes vibrationnels, la spectroscopie infrarouge bidimensionnelle (2DIR) a produit au cours des vingt dernières années une mine d'informations sur les réactions chimiques et biochimiques. Par ailleurs, de récents progrès en technologies biomoléculaires permettent aujourd’hui de substituer un acide aminé non naturel à un résidu choisi arbitrairement au sein d’une protéine. Certains de ces acides aminés non naturels constituant des sondes vibrationnelles locales, l’association de cette technique à la spectroscopie 2DIR peut apporter une résolution spatio-temporelle à l’étude de la dynamique structurale des protéines. Cependant, le développement de cette approche émergente reste entravé par les performances des spectromètres 2DIR actuels, reposant le plus souvent sur des sources de type Titane:Saphir fonctionnant à un taux de répétition de 1 à 10 kHz. L’objectif du projet MIRTHYX est de lever ce verrou technologique en développant un spectromètre 2DIR de nouvelle génération s’appuyant sur des sources lasers directement pompées par diode, et d’appliquer ce nouvel instrument à l’étude de la dynamique structurale de la flavoenzyme ThyX. Le projet sera conduit par trois partenaires: deux partenaires académiques, le Laboratoire d’Optique et Biosciences (LOB) et le Laboratoire Charles Fabry (LCF), ainsi qu’un partenaire industriel, Amplitude Systèmes (AS). La remarquable complémentarité des membres du Consortium ainsi constitué permettra de couvrir le large éventail de compétences nécessaires à la réalisation de ce projet pluridisciplinaire, impliquant des technologies laser, la génération et la caractérisation d'impulsions dans l'infrarouge moyen (MIR), la spectroscopie 2DIR et les biotechnologies.
Un atout majeur du projet MIRTHYX réside dans la récente percée, publiée début 2019 par deux des partenaires (LCF et AS), consistant en une post-compression efficace jusqu'à 7 fs d'impulsions de 300 fs produites par un laser YDFA (Ytterbium-Doped Fiber Amplifier). La largeur spectrale des impulsions ainsi produites est suffisamment grande pour que des impulsions MIR puissent être directement obtenues par différence de fréquences intra-impulsion. Cette approche permettra de produire des impulsions MIR de manière simple et efficace, à un taux de répétition de 125 kHz, optimal pour la spectroscopie 2DIR. Cette source femtoseconde MIR sera associée à un interféromètre compact et à balayage rapide associé à un système de détection par conversion de fréquence conférant au dispositif une excellente résolution spectrale pour la sonde comme pour la pompe. Le spectromètre 2DIR ainsi constitué sera appliqué à l’étude de la dynamique structurale de la flavoenzyme ThyX, une alternative bactérienne de la Thymidylate Synthase, dont le rôle est de produire le nucléotide associé à la lettre T de l'ADN. La flavoenzyme ThyX étant présente dans nombre de bactéries pathogènes, tout en étant totalement absente chez l'être humain, elle constitue une cible prometteuse pour de nouveaux antibiotiques. En association avec des simulations de dynamique moléculaire, la spectroscopie multidimensionnelle nous permettra de mieux comprendre comment certains substrats ou inhibiteurs agissent sur les fluctuations de structure de la protéine aux différents sites auxquels seront substituées nos sondes vibrationnelles locales. Nos travaux pourront ainsi contribuer à l’optimisation de nouveaux inhibiteurs.
Au-delà de son impact scientifique sur la spectroscopie 2DIR dans les protéines, le projet MIRTHYX se traduira également par une série de développements instrumentaux en termes de génération et caractérisation d’impulsions MIR, ainsi que de spectroscopie 2DIR. La participation du partenaire industriel sera donc essentielle, non seulement pour le développement de la source MIR elle-même, mais aussi en vue d’une valorisation des instruments innovants qui seront développés lors du projet.