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La chiralité en "temps réel"

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La distinction entre les molécules droitières ("chirales") et gauchères est cruciale en chimie et dans les sciences de la vie, et se fait généralement selon une méthode appelée dichroïsme circulaire. Cependant, lors de réactions biochimiques, le caractère chiral des molécules peut changer. Pour la première fois, les scientifiques de l'EPFL ont mis au point une méthode qui utilise des impulsions ultra-courtes ultraviolettes profondes pour sonder avec précision ces changements en temps réel dans les systèmes (bio)moléculaires.

Dans la nature, certaines molécules ayant la même composition chimique, peuvent exister sous deux formes différentes qui sont des miroirs de l'image de l'autre, tout comme nos mains. Cette propriété est connue sous le nom de "chiralité" et les molécules ayant une chiralité différente sont appelées énantiomères. Les énantiomères peuvent présenter des propriétés chimiques ou biologiques entièrement différentes, et leur séparation est un enjeu majeur dans le développement des médicaments et en médecine.

La méthode couramment utilisée pour détecter les énantiomères est la spectroscopie par dichroïsme circulaire (CD). Il exploite le fait que la lumière polarisée en une onde circulaire (comme un tourbillon) est absorbée différemment par les énantiomères gauchers et droitiers. La spectroscopie CD à l'état d'équilibre est un outil structurel majeur de l'analyse (bio)chimique.

Au cours de leur fonctionnement, les biomolécules subissent des changements structurels qui affectent leurs propriétés chirales. Les sonder en temps réel (c'est-à-dire entre 1 picoseconde et 1 nanoseconde) permet d'avoir une idée de leur fonction biologique, mais cela a été difficile dans le spectre UV profond (longueurs d'onde inférieures à 300 nm) où la plupart des molécules biologiquement pertinentes comme les acides aminés, l'ADN et les hélices peptidiques absorbent la lumière.

Ces limites sont dues à l'absence de sources adéquates de lumière pulsée et de systèmes de détection sensibles. Mais aujourd'hui, le groupe de Majed Chergui du Lausanne Centre for Ultrafast Science (LACUS) a mis au point un dispositif qui permet de visualiser la réponse chirale des (bio)molécules par spectroscopie CD avec une résolution de 0,5 picosecondes.

L'installation utilise un modulateur photoélastique, qui est un dispositif optique capable de contrôler la polarisation de la lumière. Dans ce système, le modulateur permet de commuter la polarisation d'un train d'impulsions femtosecondes de 20 kHz dans la gamme des UV profonds (250-370 nm). Il est alors possible d'enregistrer les changements dans la chiralité des molécules à des délais variables après leur excitation par une courte impulsion laser.

"Les résidus d'acides aminés et les bases d'ADN absorbent la lumière en dessous de 300 nm ", explique Malte Oppermann, le premier auteur du document. "Ce dispositif est le premier à couvrir cette région, et nous l'avons testé avec succès sur un système moléculaire modèle. Notre prochain objectif est de passer à des biosystèmes plus grands, comme les oligomères de l'ADN."

Autres contributeurs

  • Université de Genève
  • Université de Zurich
Financement

Fonds national suisse de la recherche scientifique (PRN-MUST), Service allemand d'échanges universitaires (DAAD)

Références

Malte Oppermann, Benjamin Bauer, Thomas Rossi, Francesco Zinna, Jan Helbing, Jérôme Lacour, Majed Chergui. Ultrafast broadband circular dichroism in the deep ultraviolet. Optica 6(1): 56-60, 10 January 2019. DOI: 10.1364/OPTICA.6.000056