Projet ANR-14-CE06-0019 – ESBODYR : Etats excités de systèmes d’intérêt biologique : vers une dynamique ultrarapide de conformères sélectionnés
Programme : Défi de tous les savoirs (DS10)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame valérie BRENNER (Laboratoire Francis Perrin CEA-CNRS)
Partenaires : Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay; Laboratoire de Chimie et Physique Quantique; Divers public
Montant : 470000.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Etats excités de systèmes d’intérêt biologique : vers une dynamique ultrarapide de conformères sélectionnésLe challenge expérimental consiste à développer de nouvelles procédures expérimentales (IR ns/UV ns-fs, Gouttelettes d'hélium) afin de détecter et d'identifier le paysage conformationel de biomolécules grâce à leur spectroscopie IR. Le but ultime est ensuite d’en appréhender la dynamique. Le challenge théorique pour la spectroscopie et la dynamique des états excités réside dans le nombre d'états de nature très différente qui doivent être décrits simultanément de façon équilibrée et précise.
Vers une dynamique ultrarapide de conformères sélectionnésL'objectif principal du projet consiste à étudier la dynamique électronique d’états excités de systèmes moléculaires pertinents sur le plan biologique et d’établir la nature des mécanismes de désactivation non-radiative. Ce projet se concentre sur les premiers états excités de ces espèces, et propose une approche synergique expérience-théorie qui  associe  i) spectroscopies conformationnellement résolues réalisées en phase gazeuse à différents régimes de dynamique électronique (nanoseconde (ns), picoseconde (ps) et femtoseconde (fs)) et ii) une modélisation efficace de la surface d'énergie potentielle (SEP) des états excités. L'accent sera mis sur plusieurs classes de systèmes d’intérêt biologique, pour lesquelles les équipes du LFP (maintenant LIDYL) et de l’ISMO sont des experts dans la caractérisation de leur paysage conformationnel à l'état fondamental, à savoir des peptides isolés et hydratés, ou des complexes moléculaires, des modèles de reconnaissance moléculaire.Le projet vise à développer de nouvelles stratégies théoriques originales pour modéliser efficacement et précisément les SEP d’états excités. En parallèle, il vise à déployer de nouvelles procédures expérimentales permettant de réaliser des mesures de durée de vie des états excités par des techniques de femtochimie avec une sélection en conformation grâce à la spectroscopie InfraRouge ou à sa variante sous forme de gouttelettes d'hélium. Contrairement aux études précédentes, ces mesures en phase gazeuse seront directement comparables aux études théoriques (effectués sur les mêmes conformations), autorisant ainsi une rétroaction efficace entre les deux approches. Il en résultera : i) une attribution précise des processus photophysiques dans des systèmes conceptuellement importants, ii) une validation des calculs d’états excités par comparaison avec les données expérimentales, ou, encore, avec des résultats théoriques obtenus à l’aide de méthodes de chimie quantique de très haut niveau.
Approches expérimentales / Approches Théoriques-	Etat fondamental : Spectroscopie IR/UV (ns, ps) / Modélisation (champ de force et DFT-D)-	Conformères à état excité de très courte durée de vie et systèmes sans chromophore : Spectroscopie IR ns/ UV fs et IR en gouttelettes d’hélium / Méthode CC2 (Energies de transition verticales et adiabatiques) et Méthode multiréférence (Validation de la méthode CC2)-	Dynamique ultrarapide de conformères sélectionnés : Mesures de durées de vie (ns, ps et fs) / Dynamique non-adiabatique avec la TDDFT (identification des mécanismes de désactivation et Méthode CC2 (Profils énergétique des mécanismes de désactivation)
Résumé de la soumission : De nombreux systèmes moléculaires complexes absorbent la lumière dans l’UV, certains d’extrême importance pour la biologie, comme les bases de l’ADN ou 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. Les objectifs du projet sont de caractériser les états excités de systèmes pertinents sur le plan biologique et d’établir la nature des mécanismes de relaxation non radiative. L’originalité du projet, qui implique des physiciens de la phase gazeuse, des physico-chimistes ainsi que des théoriciens, réside dans la synergie de l’approche entre expérience et théorie. Centré sur une série de molécules flexibles d’intérêt biologique, qui présentent de multiples conformations, le projet étudiera notamment le lien entre dynamique électronique et structure.Du point de vue expérimental,  la spectroscopie IR/UV menée avec des lasers nanoseconde est utilisée en routine pour obtenir des informations croisant structure (notamment  le contenu en liaisons H) et dynamique. Elle n’est cependant plus applicable aux conformères présentant des durées de vie très courtes (< 1 ps), qui alors indétectables, sont «manquants » dans les expériences en nanoseconde. Ce cas est malheureusement relativement fréquent  dans le cas des molécules d’intérêt biologique, ce qui rend difficile la comparaison entre expérience et théorie.  Le premier objectif sera donc de déployer des procédures expérimentales nouvelles afin de détecter et caractériser ces espèces à partir de leur spectroscopie IR, en particulier en utilisant la spectroscopie de photoélectrons, qui favorise la sensibilité à la conformation; le but ultime étant d’enregistrer séparément à l’échelle fs la dynamique de chaque conformère. En parallèle, la spectroscopie IR en gouttelettes d’hélium sera mise en œuvre durant le projet et appliquée à une série de molécules flexibles, avec pour avantage unique sa sensibilité à l’ensemble de la population conformationelle.Du point de vue théorique, le défi est double : i) identifier, dans ces molécules complexes, les mouvements critiques favorisant la relaxation électronique et ii) décrire simultanément d’une façon équilibrée et précise des états électroniques multiples de nature très différente. C’est pourquoi le projet propose une approche innovante en deux étapes. D’abord des simulations de dynamique non-adiabatique basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps suggèreront des chemins possibles de relaxation conduisant à la désactivation. Ces chemins seront ensuite raffinés, à un niveau de théorie plus élevé, en recourant à deux méthodes ab initio, les méthodes standard Coupled Cluster et une méthode originale d’interaction de configuration multiréférence utilisant les orbitales localisées.Les résultats expérimentaux sur des conformères précis pourront être directement comparés aux études théoriques, autorisant une rétroaction efficace entre les deux approches.  Il en résultera : i) une attribution précise des processus photophysiques dans des molécules conceptuellement importantes, ii) une validation des calculs des états excités par comparaison avec les données expérimentales, ou, encore, avec résultats théoriques obtenus à l’aide de méthodes de chimie quantique de très haut niveau.Ce projet interdisciplinaire devrait contribuer à une meilleure compréhension de la dynamique des états excités suite à une absorption lumineuse et promouvoir le développement technique des méthodes de simulation décrivant le devenir de l’énergie absorbée. Ces processus de conversion de l’énergie sont d’une importance fondamentale et présentent un champ d’application potentiel englobant notamment la photochimie, la biologie ou la science des matériaux.
Résultats : ATTENTION : La présentation des résultats et perspectives nous paraît indissociable. Les résultats et perspectives de la partie expérimentale sont donc présentés dans l’item Résultats et ceux de la partie théorique dans la l’item Perspectives. 
Même si les taches expérimentales et théoriques sont imbriquées, les résultats et perspectives sont présentés séparément, la synergie des deux approches étant présentée dans chaque volet. 
Les résultats et perspectives de la partie expérimentale se déclinent suivant trois volets : (1) Spectroscopie IR/UV (ns, ps) et mesures de vie : Le paysage conformationel de l’état fondamental de différents systèmes d’intérêt biologique comme des petits peptides protégés ou des systèmes à reconnaissance moléculaire ont été déterminés en couplant à des expériences pompe-sonde utilisant les dernières avancées en spectroscopies laser (dans l'Infrarouge (IR) et l'Ultraviolet-visible (UV)) une modélisation par chimie quantique. Les mesures de durées de vie des systèmes peptidiques ont elle aussi été menées et les simulations de dynamique non-adiabatique associées sont actuellement en cours. Une première approche de systèmes sans chromophore UV a été menée en utilisant un marqueur UV, le toluène. (2) IR en gouttelettes d’hélium : Le dispositif Gouttelium a rencontré une difficulté importante l’an dernier d’où un retard de 7 mois dans le planning. Par ailleurs, l’adaptation de ce dispositif aux systèmes d’intérêt biologique est en passe d’être terminée et les expériences sur ces systèmes vont pouvoir démarrer prochainement. (3) Spectroscopies IR ns/ UV fs : Après analyse des difficultés rencontrées lors des essais de photoionisation pompe-sonde résonante d’un peptide modèle, plusieurs pistes sont envisagées pour la poursuite de ces études. Notre objectif ultime est toujours de pouvoir mesurer les durées de vie de systèmes très flexibles dont la dynamique est ultrarapide.
Perspectives : Les résultats et perspectives de la partie théorique se déclinent suivant quatre volets : (1) Dynamique non-adiabatique : L’optimisation du code,  NEWTON-X, qui a été finalement choisi pour réaliser les explorations des surfaces des états excités est maintenant finalisée (gain d’un facteur 5 sur les temps de calcul des termes de couplages). Ce code a été ensuite porté sur les moyens de calcul nationaux. Il est actuellement utilisé dans l’étude sur la désexcitation électronique dans des peptides. (2) Approche « Coupled cluster to second order » CC2 : L’étude des performances de la méthode CC2 pour des peptides protégées est maintenant terminée et les conditions opératoires ont été déterminées pour les différentes observables : énergie et ses dérivées premières et secondes. Des benchmarks pour étudier l’influence du nombre de résidus et la nature des états excités sur les performances de cette méthode ont été ensuite réalisés. (3) Performances des nouvelles fonctionnelles dans l’approche TDDFT : Cette étude a permis de lever un des verrous de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour le calcul des états excités, i.e. permettre un traitement correct des états à transfert de charge sans dégrader les autres états. La méthode choisie (TDDFT avec la fonctionnelle  ?B97XD) constitue une alternative aux méthodes à fonction d’onde et permet d’envisager le traitement de systèmes de plus grande taille. (4) Approche multiréférence DDCI : Les conditions d’applications de la méthode MRCI linear scaling ont été mises au point sur le calcul des états excités de l’un des confomères de NAPA, tout en gardant la précision des calculs MRCI. Les performances de la méthode CC2 ont été ensuite été évaluées sur les états excités de géométries pertinentes (minimum, intersection conique) d’un des mécanismes de désactivation de ce conformère. Une alternative à l’approche DDCI est actuellement en cours de tests pour les systèmes de plus grande taille.
Publications et brevets : ATTENTION : Ne sont mentionnés ici que les publications, pour le reste voir D-1 du rapport.
E. Gloaguen, B. Tardivel, M. Mons. Gas phase double-resonance IR/UV spectroscopy of an alanine dipeptide analogue using a non-covalently bound UV-tag: observation of a folded peptide conformation in the Ac-Ala-NH2–toluene complex. Struc. Chem. 27, 225 (2016).  (LYDYL/SBM)
Publications soumises : 1 et Publications en préparation : 4