Des cristaux liquides
minéraux comme aide
à la détermination de la structure de biomolécules
Hervé DESVAUX et Patrick BERTHAULT
Service de
Chimie Moléculaire,
SCM-DRECAM,
DSM, CEA-Saclay
Patrick Davidson (Lab. Phys. du Solide, Paris XI) et Jean-Christophe Gabriel (Institut des Matériaux, Nantes)
Des
cristaux liquides comme aide
à la détermination de structure de biomolécules
Les cristaux liquides minéraux
Publications associées
La Résonance Magnétique Nucléaire est un outil unique pour analyser la structure et la dynamique des biomolécules en solution, mais les données expérimentales qui permettent de reconstruire par modélisation la conformation tridimensionnelle de la molécule (vitesses de relaxation dipolaire croisée reliées aux distances proton-proton, constantes de couplages scalaires reliées aux angles de torsion) sont locales et imprécises. De ce fait, dès que la forme de la molécule est très anisotrope (oligosaccharide, nucléotide), il devient difficile de positionner deux atomes éloignés, puisque les erreurs deviennent cumulatives ; par exemple, on ne pourra pas distinguer un fragment d'ADN courbe d'un fragment droit !
Des cristaux
liquides comme aide
à la détermination de structure de biomolécules
Pour pallier cet inconvénient, une méthode consiste à réintroduire des contraintes locales à longue portée, car référencées par rapport à un même repère moléculaire. Pour cela, il faut rendre légèrement anisotrope le mouvement de réorientation de la molécule dans le champ magnétique, par exemple par l'intermédiaire de cristaux liquides dilués. Ces derniers vont conférer à la molécule, en moyenne, une faible orientation privilégiée. Certaines informations supplémentaires apparaissent alors sur le spectre, tels les couplages dipolaires résiduels Dij (usuellement moyennées à zéro en milieu isotrope par le mouvement Brownien). Leurs amplitudes dépendent directement de l'orientation polaire (q, f) de chaque paire de noyaux dans ce repère. En utilisant des milieux très dilués, on conserve un taux d'orientation très faible, donc des couplages dipolaires résiduels très faibles (quelques Hz par rapport à quelques kHz en phase solide). Ainsi la résolution caractéristique de la RMN liquide est sauvée.
Les cristaux liquides minéraux
En collaboration avec l'Institut des Matériaux Jean Rouxel à Nantes, nous avons été les premiers à proposer l'utilisation de cristaux liquides minéraux. Leurs avantages sont multiples : grande stabilité dans le temps, nématiques orientables sous de faibles concentrations, et surtout absence de protons, carbones et azotes, principaux noyaux constituant les biomolécules. Après avoir montré que les couplages dipolaires résiduels D s'ajoutent à l'interaction isotrope à travers les liaisons J dans une suspension de rubans de pentoxyde de vanadium, nous avons participé à la caractérisation des propriétés magnétiques du premier cristal liquide minéral lamellaire. Ce dernier est obtenu par exfoliation de plans moléculaires rigides d'un cristal de phosphate d'antimoine. Par simple ajout d'eau la distance entre ces plans peut être ajustée entre 1.5 et 225 nm à l'équilibre. Pour de telles distances entre les plans, une diffraction bleue de la lumière apparaît. Par sa capacité à former un mono-domaine orienté sous l'influence d'un champ magnétique, ce système permet aussi d'orienter des bio-molécules. Nous avons finalement utilisé ces deux milieux pour comparer la structure tridimensionnelle d'oligosaccharides obtenue au moyen de l'approche classique basée sur les vitesses de relaxation croisée (nOe) avec les structures déterminées uniquement à partir des couplages dipolaires résiduels (RDC) mesurés dans chaque milieu. Ces études permettent de commencer à appréhender l'effet de la présence des cristaux liquides sur la structure de la molécule.
H. Desvaux, J.C.P. Gabriel, P. Berthault and F. Camerel, Angew Chem. 40
(2001) 373. 
J.C.P. Gabriel, F. Camerel, B.J. Lemaire, H. Desvaux, P. Davidson, and P.
Batail, Nature 413 (2001) 504. 
P. Berthault, D. Jeannerat, Y. Zhang, F. Camerel, F. Alvarez-Salgado, Y. Boulard, P. Sinaÿ, J.C.P. Gabriel, H. Desvaux, Soumis à J. Biol NMR.