Dynamiques multi-échelles des changements de Chiralité photo-induits dans les biomolécules sondées par "Arbitrary Detuning ASynchronous OPtical Sampling" – ChirADASOPS

La dynamique conformationnelle des biomolécules est intimement liée à leur fonction. Toutefois, le suivi de ces dynamiques multi-échelles pouvant aller de quelques centaines de femtosecondes à quelques millisecondes, reste encore un défi expérimental. A cet égard, la spectroscopie ultrarapide de type "pompe-sonde" offre un outil de choix pour suivre ces dynamiques en temps réel avec une résolution temporelle "virtuellement" illimitée. Cependant les montages pompe-sonde femtosecondes conventionnels ne permettent généralement pas d’accéder à des dynamiques au-delà quelques nanosecondes. De plus, peu de montages permettent de combiner à la fois une sensibilité structurale et une haute résolution temporelle. C’est précisément ces deux verrous technologiques que propose de lever ChirADASOPS en combinant les méthodes pompe-sonde uniques développées dans notre équipe au Laboratoire d'Optique et Biosciences de l'Ecole Polytechnique, pour la détection multi-échelle et le dichroïsme circulaire résolu en temps (TRCD), afin de suivre les changements de structure des biomolécules sur une fenêtre d’observation de plus de 10 ordres de grandeurs, allant de la picoseconde aux millisecondes.
Le dichroïsme circulaire, qui est la différence d’absorption d’un échantillon chiral d’une polarisation circulaire gauche et droite de la lumière, est une sonde très sensible à la structure secondaire des biomolécules. Toutefois, les mesures TRCD nécessitent généralement l'introduction d'une modulation ou d'un retard de phase variable sur la polarisation de la sonde alliée à la détection de très faibles variations de signal. Afin de s’affranchir de ces procédures de détection fastidieuses et d'améliorer le rapport signal/bruit des signaux TRCD, le premier objectif de ce projet consistera à développer une méthode de mesure à coup unique combinée à une détection balancée, dont nous avons déjà établi la preuve de principe. Le second objectif de ChirADASOPS consistera à développer une nouvelle approche de la spectroscopie pompe-sonde multi-échelle en combinant la méthode ADASOPS (Arbitrary Detuning ASynchronous OPtical Sampling) développée dans notre équipe avec un amplificateur femtoseconde à taux de répétition élevé pompé par diode pour générer la sonde. La combinaison de la détection TRCD à coup unique et de l'utilisation d'un laser à taux de répétition élevé pour la sonde permettra ainsi d'atteindre une précision de mesures de l’ordre de 0,1 mdeg (<3 µOD). Dans la troisième étape de ce projet, nous utiliserons avec profit les capacités de notre nouveau dispositif expérimental, pour étudier la dynamique conformationnelle de deux hémoprotéines d’intérêt pour l’équipe, le régulateur de transcription bactérien CO, CooA, et le récepteur de NO humain, la guanylate cyclase. Nous aborderons également les mécanismes de repliement/dépliement d’une structure d'ADN G-quadruplex (G4) connus pour jouer un rôle important dans la régulation cellulaire, avec l'étude d'un complexe constitué d'un photo-commutateur dérivé de l’azobenzène et de la séquence G4, 5'-GGTTGGTGTGGTTGG-3'.
La réalisation des trois objectifs de ce projet PRME à l’interface de la physique et de la biologie bénéficiera de la remarquable complémentarité des compétences de l’ensemble des membres de l’équipe, qui permettra de développer un outil robuste et convivial pour la spectroscopie TRCD dans une configuration pompe-sonde sur table. La communauté au sens large pourra bénéficier de manière significative de ce nouveau développement expérimental qui répond au besoin d’observer en temps réel les mouvements d’architectures moléculaires complexes. Les résultats scientifiques obtenus pourraient également clairement contribuer à populariser cette nouvelle méthode de spectroscopie pompe-sonde et à élargir le champ de ses applications pour apporter un éclairage nouveau sur la relation structure et fonction des biomolécules, ouvrant la porte à des applications pour le développement de thérapies innovantes.