Mécanismes non-radiatifs de désactivation de molécules d'intérêt biologique

Dynamique électronique de systèmes d’intérêt biologique : une approche duale expérience-théorie
Alors que l'absorption de la lumière par les biomolécules est omniprésente dans la nature et utilisée dans de nombreux domaines de recherche, la compréhension des processus ultrarapides sous-jacents suivant l'absorption des photons est encore limitée. Dans ce projet, la dynamique électronique des états excités de systèmes pertinents sur le plan biologique (peptides isolés et hydratés ou complexes modèles pour la reconnaissance chirale) a été abordée par une approche duale expérience-théorie. Une stratégie théorique originale à plusieurs étapes et plusieurs niveaux a été développée afin de modéliser de manière précise les surfaces d’énergie potentielle des états excités de ces systèmes. En parallèle, de nouvelles procédures expérimentales couplant la mesure de la dynamique de l'état excité par des techniques de nano-, pico et femtochimie avec la sélectivité en conformère apportée par la spectroscopie IR ou sa variante en gouttelettes d'hélium ont été mises en œuvre. Ce projet contribue à une meilleure compréhension de la dynamique des états excités suite à une absorption lumineuse et ces processus de conversion de l’énergie présentent un champ d’application très vaste.

Spectroscopies laser conformère-sélective (IR-UV/UV, IR en gouttelettes d’hélium) et Dynamique non-adiabatique (Etat excité et Intersection conique)
Les premiers états excités de différente nature des systèmes bio-pertinents doivent être décrits de manière équilibrée et précise. Une approche théorique novatrice a donc été développée. Tout d'abord, des simulations de dynamique non-adiabatique utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) ont été réalisées. Les profils énergétiques des mécanismes de désactivation ainsi identifiés ont ensuite été calculés à un plus haut niveau de théorie, i.e. niveau « Coupled Cluster » au second ordre (CC2). Enfin, ce niveau de théorie a été validé par comparaison avec une méthode multiréférence en orbitales localisées. En parallèle, les spectroscopies IR/UV de double résonance et UV/UV résolue en temps ont été utilisées pour obtenir des informations sur la structure et la dynamique de ces systèmes. Au-delà des régimes nano- et picoseconde, des études exploratoires du régime femtoseconde ont été menées afin de traiter les états excités à durée de vie ultra-courte. En outre, afin de détecter toute la population conformationnelle de ces systèmes et notamment avoir accès aux conformères non-ionisables par impulsion UV nanoseconde, la spectroscopie IR en gouttelettes d'hélium a été adaptée à ces systèmes.

Résultats majeurs du projet :
Développée sur de petits peptides, la stratégie de calcul innovante combinant dynamique non-adiabatique et méthodes mono-/multiréférence sert maintenant à modéliser les surfaces d'énergie potentielle d’états excités de peptides de plus grande taille, de peptides hydratés ou de complexes moléculaires. La spectroscopie IR en gouttelettes d’hélium qui a été adaptée à ces systèmes est maintenant opérationnelle contrairement à la spectroscopie IR/UV à double résonance en régime femtoseconde qui est toujours en cours de développement. En revanche, la spectroscopie IR des états excités a été implémentée.

Production scientifique : Ce projet a donné lieu à ce jour à 9 publications et un article de vulgarisation. Par ailleurs, 1 publication est soumise, 3 sont en préparation et 4 sont à venir. Un site web dédiée à ce projet a été construit et est opérationnel depuis Juillet 2016 (http://iramis.cea.fr/meetings/ESBODYR/index.php). Les avancées et résultats de ce projet ont été présentés lors de 13 conférences invitées, 9 communications orales et 13 communications par affiche. Enfin, 23 actes de diffusion ont été produits (3 rapports de stage M2 et 20 séminaires).

Informations factuelles : Le projet ANR-14-CE06-0019 est un projet de recherche fondamentale coordonné par V. Brenner (LIDYL/SBM, CEA-CNRS UMR9222). Il associe aussi l’équipe LIDYL/DyR, ainsi que deux laboratoires partenaires, le LCPQ (UMR5626, Resp. Scient. : Sophie Hoyau) et l’ISMO (UMR8214, Resp. Scient : Anne Zehnacker). Le projet a commencé en Octobre 2014 et a duré 48 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 470000 € pour un coût global de l’ordre de 2.6 M € (Cout complet). Ce projet a fait l’objet chaque année d’une demande d’heures de calculs sur les moyens nationaux via le TGIR GENCI (TGCC/CCRT-CINES-IDRIS) et sur les moyens centralisés du CEA (TGCC/CCRT) comptabilisant sur les quatre années un nombre d’heures de 1.6 MH.