Photocommutation dans les complexes de Transfert de Charge flavine-ligand au sein des protéines – PHOTOCT

Les molécules ou complexes moléculaires photochromiques sont caractérisés par une photocommutation réversible entre deux formes possédant des spectres d'absorption différents. Les photochromes rouges biocompatibles sont de plus en plus utilisés en biologie pour des applications telles que l’imagerie de fluorescence super-résolue (nanoscopie) ou en optogénétique. Un certain nombre de photocommutateurs sont basés sur des protéines naturelles, mais leurs utilisations restent souvent limitées par : a) une faible absorbance dans le rouge, la fenêtre de transparence biologique maximisant la pénétration de la lumière des tissus biologiques et minimisant la photo-toxicité, b) de faibles rendements quantiques de photocommutation (QY) dus à l’existence de réactions compétitives, et c) des retours thermiques de l’état photochrome non optimisés pour les applications. Très récemment, nous avons découvert un nouveau bio-système photochrome rapide. Dans ce système, la photocommutation repose sur la photoexcitation d'un complexe de transfert de charge (CT) absorbant dans le rouge et formé par un cofacteur de flavine et un inhibiteur, un analogue du substrat dérivé d'acide aminé, dans une enzyme bactérienne qui est physiologiquement non photochimique, la sarcosine oxydase monomérique (MSOX). La photo-commutation est associée à une isomérisation ultra-rapide et sans barrière thermique à l’état excité de l'inhibiteur méthylthioacétate : elle a lieu en ~10-13 s avec un rendement quantique de photo-commutation proche de 100%. Le retour thermique, en conditions physiologiques, est de quelques nanosecondes pour le produit photochrome formé. Par rapports aux systèmes existant dans la littérature, ces propriétés sont uniques et remarquables. La photochimie protéique d’états CT impliquant des changements conformationnels est encore inexplorée, et le présent projet vise à élucider en détail le mécanisme de ce processus inexploité en déterminant les intermédiaires qui contrôlent l’absorbance, le rendement quantique de photo-commutation et le retour thermique. Ces résultats doivent nous permettre de concevoir et d’explorer des modifications du système afin de l'optimiser pour des applications. La rationalisation du mécanisme photochrome va permettre d’obtenir des variantes de MSOX par ingénierie de protéines, des variantes plus encombrantes des ligands, ou des combinaisons des deux. Nous visons en particulier le ralentissement du retour thermique tout en conservant un rendement de photo-commutation proche de l’unité pour le développement de nouvelles protéines fluorescente rouge réversibles rapides pour des applications en nanoscopie. Ce projet fondamental va permettre de comprendre et développer une nouvelle famille de protéines photochromes grâce à une synergie entre des techniques avancées de spectroscopie optique résolues en temps avec le développement d’instruments uniques multi-échelles, des approches cristallographiques en régime stationnaire et résolues en temps (aux XFEL et synchrotrons) et des calculs de chimie théorique de haut niveau, complétées par de la bio-ingénierie des protéines.