Quand les atomes « errent » au cœur des molécules

Des chercheurs du CIMAP (UMR CEA-CNRS-ENSICAEN-Université de Caen Normandie), en collaboration avec le synchrotron SOLEIL et l’INRAE, montrent qu’un mécanisme chimique inhabituel jusqu’ici observé uniquement dans de petites molécules pourrait également intervenir dans des systèmes beaucoup plus grands. Leurs résultats, obtenus avec un complexe impliquant la vancomycine, un antibiotique de plus de 170 atomes, suggèrent une implication de ce mécanisme dit de « l’atome errant », et ouvrent des pistes pour mieux comprendre les réactions chimiques au sein de grandes molécules, notamment celles qui interviennent en biologie et pharmacologie.

Jusqu’à présent, ce mécanisme avait toutefois été observé uniquement dans des systèmes relativement petits, la tyrosine, qui compte 24 atomes, figurant parmi les plus grands étudiés. L’une des difficultés est expérimentale : les techniques utilisées jusqu’ici pour identifier l’atome errant nécessitent notamment de vaporiser les molécules par chauffage, ce qui limite la taille des systèmes fragiles pouvant être étudiés sans les dégrader. Pour contourner cet obstacle, les chercheurs se sont appuyés sur une méthode développée auparavant, qui permet de transférer intactes des molécules fragiles en phase gazeuse, de les exposer à de la lumière UV-VUV, puis d’analyser les fragments produits par spectrométrie de masse.

Ils ont ainsi étudié un complexe non-covalent formé par la vancomycine, un antibiotique de plus de 170 atomes, et un petit peptide modèle de son récepteur naturel. Sous l’effet de la lumière ultraviolette, ils observent la formation de chlorure d’hydrogène (HCl) au sein de la vancomycine, puis son transfert vers le peptide lorsque le complexe se dissocie. Selon les chercheurs, aucun transfert de fragment moléculaire entre un ligand et son récepteur après photofragmentation d’un complexe moléculaire non covalent en phase gazeuse n’avait été rapporté jusqu’ici.

Mais c’est en étudiant l’énergie mise en jeu dans la réaction que les chercheurs mettent en évidence un comportement particulièrement inattendu. L’énergie associée à la formation de HCl est estimée à environ 1,1 eV à partir des données expérimentales, contre 3 eV selon les calculs décrivant un mécanisme direct. De plus, l’énergie est répartie de façon très inégale entre les deux produits de la réaction, un comportement caractéristique des réactions de l’atome errant. Enfin, la formation de HCl puis son transfert vers le peptide impliquent un déplacement inhabituel de l’atome de chlore au sein du complexe. Pris ensemble, ces différents indices convergent vers un mécanisme d’atome errant : plutôt que de suivre le chemin réactionnel direct envisagé, le chlore effectuerait un mouvement plus complexe au sein du système avant de réagir.

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