Dynamique de repliement des biomolécules sondée par dichroïsme circulaire résolu en temps

Personnel:

Post-doc:

Vangelis Balanikas

Thèmes de recherche:

Outre leur structure tridimensionnelle, les propriétés dynamiques des biomolécules jouent un rôle clé dans leurs fonctions. Lors de leur repliement, elles explorent un large ensemble de conformations, qu'il peut être difficile de capturer expérimentalement. À cet égard, les méthodes chiroptiques sont des outils puissant permettant de sonder les changements structures des biomolécules sur des échelles de temps étendues. Parmi ces méthodes, le dichroïsme circulaire (CD) est une technique largement utilisée pour analyser la structure secondaire des protéines et de l’ADN. Cependant, les expériences de CD résolues en temps de type "pompe-sonde" représentent encore un défi technique majeur en raison de leurs petits signaux sujets aux artéfacts de polarisation induits par la pompe.

Notre activité principale s'articule autour du développement et de l'utilisation de nouveaux outils chiroptiques conviviaux, pour de mesurer la dynamique conformationnelle des protéines et de l'ADN sur des échelles de temps allant de la femtoseconde à la seconde. Parallèlement, nous consacrons une partie de nos recherches à l'étude de la dynamique conformationnelle de petites molécules organiques ou inoganiques chirales dans leurs états électroniques excités.

Projets en cours:

Développements expérimentaux

Au cours de ces cinq dernières années, nous avons construit deux installations TRCD monochromatiques complémentaires permettant:

- de mesurer les changements de conformation des biomolécules suite à une excitation optique avec une résolution temporelle subpicoseconde

- de suivre leur dynamique de dénaturation induite par saut de température (T-jump) ou l’absoption directe d'un photon, sur une échelle de temps allant de quelques dizaines de millisecondes à quelques secondes.

Projet ANR PRME ChirADASOPS (2022-2026):

Les mesures TRCD femtoseconde nécessitent généralement, pour chaque retard pompe-sonde, d'introduire soit la modulation d'une sonde polarisée circulairement, soit un retard de phase variable sur une sonde polarisée linéairement. Ces procédures d'acquisition séquentielle sont généralement très chronophages et très sensibles aux fluctuations de la pompe et de la sonde. Dans le cadre du projet ChirADASOPS, nous avons développé une méthode de détection TRCD qui repose sur la caractérisation complète de la polarisation elliptique de la sonde transmise par un échantillon chiral en mode "single-shot", à l'aide de la combinaison d'une lame quart-d'onde large bande et d'un prisme de Wollaston. Cette méthode simple et robuste, permet de mesurer des cinétiques TRCD avec une précision <1 mdeg en quelques minutes.

Les travaux en cours visent à combiner cette nouvelle détection TRCD "single-shot" avec la méthode ADASOPS, afin de mesurer les changements de conformation photoinduits des protéines et de l'ADN, sur une échelle de temps allant de quelques centaines de femtosecondes aux millisecondes, à l'aide d'un montage "pompe-sonde" combinant une source laser TiSa et une source laser Yb.

Single-shot TRCD

Dynamique de repliement de l'ADN G-quadruplex

L'ADN peut adopter une grande variété de conformations. Parmi elles, les G-quadruplexes (G4) sont des structures de séquences d'ADN riches en guanines, qui résultent de l'empilement de quartets de guanines en présence de cations métalliques tels que K⁺ ou Na⁺. Les G4 sont des structures transitoires de l'ADN impliquées dans d'importantes fonctions de régulation cellulaire. Cependant, leurs mécanismes de formation sont encore mal compris.

Nos études visent à caractériser les dynamiques de repliement/dépliement des G4 sur des échelles de temps allant de la picoseconde à la seconde, à l'aide d'une combinaison de techniques d'absorption transitoire et de TRCD. Nous avons mesuré les cinétiques de repliement/dépliement induits par saut de température de différentes séquences G4. Nous avons mis en évidence des cinétiques de repliement/dépliement des G4 parallèles significativement plus lentes que celles des topologies antiparallèles. Ces premiers résultats suggèrent l'existence de multiples voies de repliement le long de paysages énergétiques extrêmement complexes, qui dépendent fortement de la perturbation appliquée, de la séquence des boucles et de la concentration en cations métalliques. Nous menons actuellement des études comparatives des dynamiques de dépliement des G4 photo-induites à l'aide de photocommutateurs dérivés de l'azobenzène synthétisés par Bastien Nay (LSO, École Polytechnique).

Contrôle de la chiralité dans les composés organiques

Le contrôle de la chiralité, au niveau moléculaire et macroscopique, constitue un enjeu majeur de la chimie contemporaine. À cet égard, les molécules chirales axiales, telles que le 1,1′-bi-2-naphtol (binol), suscitent un grand intérêt depuis plusieurs décennies.

Les binols sont utilisés pour un large éventail d'applications allant de la reconnaissance moléculaire a la catalyse asymétrique. Plus récemment, leur utilisation s'est étendue à la conception d'assemblages supramoléculaires fonctionnels chiraux et de matériaux organiques innovants pour des applications en optique linéaire et non linéaire. La chiralité des binols provient de la rotation empêchée de leurs deux sous-unités naphtyls, ce qui leur confère une forte activité chiroptique. Alors que l'origine des propriétés chiroptiques des binols à l'état fondamental est désormais bien établie, leur comportement dans les états électronique excités est encore mal compris. Grâce aux améliorations de notre dispositif TRCD sub-picoseconde, nous avons réalisé une étude exhaustive de trois dérivés de binols pontés dans divers solvants. Ces mesures ont permis de démêler les effets respectifs du solvant et des substituants sur les propriétés chiroptiques des dérivés pontés du binol à l'état excité.

En particulier, nous avons montré que la présence des ponts n'empêche pas le mouvement de rotation de leurs sous-unités naphthyls à l'état excité, ce qui conduit à une augmentation significative de leur réponse chiroptique à l'état excité. Nous poursuivons ces études de la chiralité axiale sur d'autres dérivés du binol.

Collaborations:

Bastien Nay, LSO, Ecole Polytechnique, Palaiseau.
Giorgio Schirò, Institut de Biologie Structurale, Grenoble, France
Ludovic Favereau, Institut des Sciences Chimiques, Rennes
Roberto Improta, Istituto Biostrutture e Bioimmagini, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Napoli, Italy.
Fabrizio Santoro, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Chimica dei Composti Organometallici, Pisa, Italy.
Stephan Guy, Institut Lumière Matière, Lyon.

Selection de publications:

Recent advances in the development of ultrafast electronic circular dichroism for probing the conformational dynamics of biomolecules in solution, P. Changenet and F. Hache, EPJ Special Topics, https://doi.org/s11734-022-00679-3

Artifact-free balanced detection for the measurement of circular dichroism with a sub-picosecond time resolution, P. Changenet and F. Hache, Opt. Expr. https://doi.org/10.1364/OE.489468

Multiscale conformational dynamics probed by Time-resolved circular dichroism from milliseconds to picoseconds, F. Hache and P. Changenet, Chirality , https://doi.org/10.1002/chir.23359

Folding dynamics of DNA G-quadruplexes probed by millisecond T-jump circular dichroism, K. Laouer, M. Schmid, F. Wien, P. Changenet, F. Hache, J. Phys. Chem. B, 125, 8088 (2021)

T-jump and circular dichroism: Folding dynamics in proteins and DNA, P. Changenet, F. Hache, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 693, 49 (2019)

Unveiling excited-state chirality of binaphthols by femtosecond circular dichroism and quantum-chemical calculations, M. Schmid, L. Martinez-Fernandez, D. Markovitsi, F. Santoro, F. Hache, R. Improta, P. Changenet, J. Phys. Chem. Lett. 10, 4089 (2019)