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Désactivation des états excités de modèles de protéines : simulations de dynamique non-adiabatique et méthodes ab initio
Excited states deactivation in model proteins chains: Non-adiabatic dynamics and ab initio methods

Spécialité

Physique moléculaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

29-03-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BRENNER Valerie
+33 1 69 08 37 88

Résumé/Summary

Ce stage porte sur la caractérisation des mécanismes de désactivation d’états excités de modèles de protéines, des peptides protégés, et plus particulièrement, la détermination pour de tels systèmes des performances d’une méthode de chimie quantique dédiée au calcul des états excités.
This internship focuses on the characterization of the deactivation excited states mechanisms in model proteins chains, capped peptides, and in particular, the determination of the performances for such systems of a quantum chemistry method dedicated to the excited states computation.

Sujet détaillé/Full description

Dans les protéines, les états excités peuplés par l'absorption UV bénéficient de mécanismes de désactivation d'importance majeure pour la photostabilité de ces espèces. Ces processus, souvent ultrarapides, offrent un moyen rapide et efficace de dissiper l'excitation électronique sous forme de vibration, évitant ainsi les réactions photochimiques conduisant généralement à des dommages structurels susceptibles d'affecter la fonction biologique du système. Notre connaissance de ces processus qui contrôlent la durée de vie de l'état excité peut être approfondie à travers une modélisation précise des surfaces d’énergie potentielle des états excités de modèles de ces systèmes. Une méthode performante pour cette modélisation est la méthode « Coupled Cluster » d’ordre 2 (CC2).1,2 Cependant, cette méthode s’avère difficilement applicable à des systèmes de grande taille pour des raisons de temps de calculs et dans les simulations de dynamique non-adiabatique pour des problèmes de convergence. L'objectif principal de ce stage est donc de tester sur une série de peptides protégés les performances d’une méthode de chimie quantique alternative à cette méthode, la méthode ADC(2) (Algebraic Diagrammatic Construction through second order).3 Ce sujet est en lien directe avec des expériences de spectroscopies menées dans l'équipe, expériences utilisant les récents développements des techniques expérimentales de spectroscopie en phase gazeuse.

[1] W. Y. Sohn, V. Brenner, E. Gloaguen and M. Mons, Local NH–π interactions involving aromatic residues of proteins: influence of backbone conformation and ππ* excitation on the π H-bond strength, as revealed from studies of isolated model peptides. PCCP 2016, 18, 29969.
[2] N. Ben Amor, S. Hoyau, D. Maynau and V. Brenner, Low-lying excited states of models proteins: Performances of the CC2 method versus MRCI methods. J. Chem. Phys 2018, 148, 184105.
[3] (a) J. Schirmer, Beyond the random-phase approximation: a new approximation scheme for the polarization propagator. Physical Review A. 1982, 26, 2395. (b) A. B. Trofimov and J. Schirmer, An efficient polarization propagator approach to valence electron excitation spectra. Journal of Physics B. 1995, 28, 2299.
The proteins are endowed with mechanisms of excited-state deactivation following UV absorption. These mechanisms are of major importance for the photochemical stability of these species since they provide them a rapid and efficient way to dissipate the electronic energy in excess into vibration, thus avoiding photochemical processes to take place and then structural damages which affect the biological function of the system. In this context, an efficient modelling of the potential energy surfaces of excited states of model proteins should lead to better understanding the photophysical phenomena involved in the deactivation mechanisms. An efficient method for this modeling is the "Coupled Cluster" method of order 2 (CC2).1,2 However, this method is difficult to apply for large systems due to very long computation times and in non-adiabatic dynamics simulations for convergence problems. The main objective of this internship is then to test on a series of model proteins, capped peptides, the performances of an alternative quantum chemistry method to treat excited states, the ADC (2) method (Algebraic Diagrammatic Construction through Second Order).3 This theoretical work will be backed up by key gas phase experiments performed in the team, experiments using recent development of the spectroscopic techniques in gas phase.

[1] W. Y. Sohn, V. Brenner, E. Gloaguen and M. Mons, Local NH–π interactions involving aromatic residues of proteins: influence of backbone conformation and ππ* excitation on the π H-bond strength, as revealed from studies of isolated model peptides. PCCP 2016, 18, 29969.
[2] N. Ben Amor, S. Hoyau, D. Maynau and V. Brenner, Low-lying excited states of models proteins: Performances of the CC2 method versus MRCI methods. J. Chem. Phys 2018, 148, 184105.
[3] (a) J. Schirmer, Beyond the random-phase approximation: a new approximation scheme for the polarization propagator. Physical Review A. 1982, 26, 2395. (b) A. B. Trofimov and J. Schirmer, An efficient polarization propagator approach to valence electron excitation spectra. Journal of Physics B. 1995, 28, 2299.

Mots clés/Keywords

Calcul d’états excités, Méthodes « Coupled Cluster », Dynamique non-adiabatique
Excited states computation, Coupled Cluster methods, Non-adiabatic dynamics

Compétences/Skills

Au cours du stage, le candidat se formera aux méthodes de calculs d’états excités ainsi qu’à l'utilisation de logiciels de chimie quantique : Turbomole (Méthodes CC2 et ADC(2)) et NEWTON-X (Simulations de dynamique non-adiabatique).
During the course, the candidate will be trained in methods calculating excited states as well as to use quantum chemistry softwares: Turbomole (CC2 and ADC(2) methods) and NEWTON-X (Non-adiabatic dynamics).

Logiciels

Station de travail locales et Supercalculateurs Nationaux
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Modélisation Monte Carlo / GEANT4-DNA de la chimie radicalaire dans l'eau : nanodosimétrie
Monte Carlo Simulation with GEANT4-DNA of radiation chemistry in water : nanodosimetry concept

Spécialité

Chimie-physique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

02-08-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BALDACCHINO Gerard
+33 1 69 08 57 02

Résumé/Summary

Le stage a pour objet la dosimétrie à l'échelle de la chimie radicalaire déclenchée par une particule de haute énergie (type photon gamma, electron, proton, ion carbone...), c'est à dire à l'échelle du nano-micromètre. Le logiciel GEANT4-DNA permet de simuler sur une échelle de temps allant de la picoseconde jusqu'à la microseconde ,les évènements physiques (ionisation, excitation) et chimiques (système de reactions). Dans le projet ESPRIT, la détermination de la dose à temps court est primodiale en radiobiologie. Son devenir dans la formation d'espèces chimiques radicalaires et moléculaires sera comparé à des mesures faites sur le laser UHI du laboratoire LIDYL.

Sujet détaillé/Full description

Le stage a pour objet la dosimétrie à l'échelle de la chimie radicalaire déclenchée par une particule de haute énergie (type photon gamma, electron, proton, ion carbone...), c'est à dire à l'échelle nano-micromètre. Le logiciel GEANT4-DNA permet de simuler sur une échelle de temps allant de la picoseconde jusqu'à la microseconde ,les évènements physiques (ionisation, excitation) et chimiques (système de reactions). Dans le projet ESPRIT, la détermination de la dose à temps court est primodiale pour son utilisation en radiobiologie et hadronthérapie. Son devenir dans la formation d'espèces chimiques radicalaires et moléculaires sera comparé à des mesures faites sur le laser UHI du laboratoire LIDYL.
Le stagiaire prendra en main le logiciel GEANT4-DNA sur une station de calcul à sa disposition. Les cibles virtuelles seront progressivement complexes, allant de l'eau à la nanoparticule d'or de différentes tailles. Les rayonnements seront aussi variables selon un plan de travail à discuter pour tester l'influence du TEL et de l'énergie de la particule. Puis, la chimie qui est dans GEANT4-DNA, uniquement tournée vers l'eau, inclura de nouvelles molécules pour mimer la réactivité des molécules sonde fluorescentes utilisées dans les expériences de dosimétrie chimique.
Le stagiaire pourra participer à l'une de ses expériences sur le laser UHI du Laboratoire LIDYL.
Un rapport détaillé sera demandé et une participation à l'écriture d'un article aussi.

Mots clés/Keywords

chimie radicalaire, interaction rayonnement matière, haute énergie, nanoparticule

Compétences/Skills

Chimie des solutions, spectroscopie d'absorption, fluorescence Environnement Linux ou Windows virtual machine (VMware) Langage C++

Logiciels

Environnement Linux ou Windows virtual machine (VMware) Langage C++
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Spectroscopie laser de paires d'ions isolées et microsolvatées
Laser spectroscopy of isolated and microsolvated ion pairs

Spécialité

Chimie-physique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

12-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GLOAGUEN Eric
+33 1 69 08 35 82

Résumé/Summary

Ce stage porte sur la caractérisation par spectroscopie laser IR et UV de paires d'ions moléculaires isolées et microsolvatées. L'objectif est de décrire l'effet d'un contre-ion sur le repliement d'un ion moléculaire, et de caractériser l'organisation locale du solvant autour des ions appariés.
This project aims at studying isolated and microsolvated molecular ion pairs by IR and UV spectroscopy. Several model systems will be investigated to unravel the effect of a counterion on the folding of a molecular ion, and characterize the local organization of the solvent molecules around the paired ions.

Sujet détaillé/Full description

Les paires d'ions sont des objets supramoléculaires omniprésents dans la Nature, depuis l'eau de mer et les aérosols, jusqu'aux organismes vivants. Ces ions appariés constituent les toutes premières étapes de la cristallisation des espèces ioniques, influencent les propriétés des solutions concentrées en ions ou des liquides ioniques, et jouent ainsi un rôle majeur dans d'innombrables applications. Bien qu'étant rencontrées dans de nombreux domaines de la Physique, la Chimie ou la Biologie, leur caractérisation est rendue compliquée par la coexistence de plusieurs types de paires ainsi que par leur nature transitoire en solution. La phase gazeuse présente, en revanche, l'avantage de pouvoir examiner individuellement ces paires d'ions à l'échelle de l'atome par des études de spectroscopie IR et UV. Cette approche, combinée à des calculs de chimie quantique, permet de caractériser la structure de paires d'ions moléculaires flexibles, et d'analyser les interactions non covalentes qui gouvernent leur forme [1].

Le sujet du stage porte sur l'étude de plusieurs systèmes modèles qui permettra d'estimer l'effet du contre-ion sur le repliement d'un ion moléculaire et de décrire l'organisation locale du solvant autour des ions appariés. Le projet principal sera expérimental et permettra de maîtriser un ensemble varié d'équipements (lasers OPO IR, laser à colorant UV, spectromètre de masse à temps de vol, jet moléculaire) et de techniques (désorption laser, spectroscopie double résonance IR/UV, formation des systèmes isolés complexes en phase gazeuse). Le stage permettra également d'aborder le volet théorique de l'étude, donnant ainsi à l'étudiant une vision d'ensemble d'un projet scientifique où expériences et calculs de chimie quantique se complètent.

http://iramis-i.cea.fr/LIDyL/
http://iramis.cea.fr/Pisp/70/eric.gloaguen.html
[1] Habka, S.; Brenner, V.; Mons, M.; Gloaguen, E. Journal of Physical Chemistry Letters 2016, 7, 1192.


Ion pairs are ubiquitous supramolecular objects in Nature, from sea water and aerosols, to living organisms. These paired ions are the very first step of crystallisation of ionic species, they influence the properties of ion-concentrated solutions or ionic liquids, and play a key role in countless applications. Although they are met in many areas of Physics, Chemistry and Biology, their characterisation is complicated by the co-existence of several types of pairs and their elusive nature in solution. Gas phase studies, however, can investigate neutral ion pairs at the atomic scale by IR and UV laser spectroscopy. Combined to quantum chemistry calculations, this approach can characterize the structure of flexible molecular ion pairs, and analyse the main non-covalent interactions that control their shape [1].

This project aims at studying the effect of a counterion on the folding of a molecular ion, and at describing the local organization of the solvent molecules around the paired ions for a few model systems. The main work will be experimental, and will enable the master student to gain experience on a set of various instruments (OPO lasers, dye lasers, mass spectrometer, molecular beam) and techniques (laser desorption, IR/UV double resonance spectroscopy, formation of complex systems in the gas phase). This project will also address theoretical aspects, giving to the student an overview of a scientific project where quantum chemistry calculations and laser spectroscopy complement each.

http://iramis-i.cea.fr/LIDyL/
http://iramis.cea.fr/Pisp/70/eric.gloaguen.html

[1] Habka, S.; Brenner, V.; Mons, M.; Gloaguen, E. Journal of Physical Chemistry Letters 2016, 7, 1192.


Mots clés/Keywords

Physico-Chimie Moléculaire
Molecular Physical-Chemistry

Compétences/Skills

Spectroscopie Laser - Spectrométrie de masse - Désorption laser - Jets moléculaires - Chimie quantique - Champs de forces polarisables
Laser Spectroscopy - Mass spectrometry - Laser Desorption - Molecular Beams - Quantum Chemistry - Polarizable Force Field

Logiciels

Turbomole, Tinker, Labview
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