Les systèmes moléculaires complexes étudiés au sein de l’équipe AMA sont divers systèmes organiques, tels que les agrégats moléculaires carbonés, les agrégats biomoléculaires purs et mixtes, les protéines isolées et les assemblages de protéines (peptides mimétiques de collagène isolés, modèles de peptides à triple hélice, …). Parmi la grande variété de processus étudiés, nous explorons la croissance moléculaire induite par collision ionique dans des agrégats faiblement liés, la formation de peptides, ainsi que les effets directs du rayonnement sur la structure et la stabilité de systèmes protéiques après l’interaction avec des ions ou des photons.

Réactivité induite par collision ionique dans les agrégats moléculaires :

La compréhension de la chimie organique complexe et de la formation d’aérosols à partir des gaz atmosphériques dans les atmosphères planétaires demeure très incomplète. Dans ce contexte, nous avons montré que les collisions d’ions lourds lents (quelques dizaines de keV) avec des agrégats de pyrène conduisent à la formation de grosses molécules liées de manière covalente. Lorsque des noyaux des molécules subissent des collisions directes avec les ions projectiles, des espèces moléculaires réactives sont produites par fragmentation (élimination des atomes C et H). Ces espèces réagissent avec d’autres molécules de l’agrégat et des processus de croissance intra-agrégat sont induits, entraînant la formation d’une large gamme de produits avec des masses beaucoup plus grandes que celle de la molécule de pyrène initiale (voir Figure 1a). La réaction se produit à l’intérieur de l’agrégat sur une échelle de temps (fs) plus courte que le temps de dissociation de l’agrégat (ps). Les simulations de dynamique moléculaire reproduisent les caractéristiques essentielles des processus de croissance mesurés (figure 1b).

Figure 1: a) Spectre de masse des produits cationiques résultant de l’interaction d’ions O²⁺ de 24 keV avec des agrégats de pyrène. b) Spectre de masse simulé à l’aide de la dynamique moléculaire classique

La formation de peptides comme première étape de l’évolution de la vie est fortement débattue. Comme voie possible, nous avons étudié les collisions d’ions He²⁺ de faible énergie (particules alpha à l’énergie du vent solaire) avec des agrégats de molécules de bêta-alanine, dont la présence dans l’espace a été démontrée. Nous avons pu montrer que ces collisions conduisent à la formation de polypeptides.

Effet de l’environnement chimique sur les processus radio-induits dans les agrégats moléculaires :

Les expériences en phase gazeuse permettent d’accéder aux propriétés intrinsèques des systèmes moléculaires. Cependant, l’effet de l’environnement chimique n’est pas pris en compte lors de telles expériences. Une première étape pour imiter un environnement simple consiste à considérer un agrégat de molécules où de faibles liaisons intermoléculaires modifient les structures géométriques et électroniques, de sorte qu’une dynamique différente est attendue.

Nous avons observé un effet protecteur de l’environnement avec une dissociation moléculaire globale réduite dans le cas de collisions ioniques avec des agrégats de biomolécules faiblement liés. Cet effet est plus important dans le cas des agrégats hydratés. On comprend cet effet en considérant que la rupture des liaisons intermoléculaires faibles, généralement des liaisons hydrogène, permet de dissiper l’excès d’énergie déposé au cours de l’interaction. Plus surprenante est l’observation de plusieurs séries de fragments hydratés montrant que les liaisons covalentes peuvent être rompues, alors que le réseau de liaisons H faibles peut survivre au moins partiellement à la dissociation.

Effets directs des rayonnements sur les systèmes moléculaires d’intérêt biologique :

Plusieurs techniques médicales de pointe utilisent des rayonnements ionisants tels que les rayons X. En hadronthérapie, les photons sont remplacés par des faisceaux d’ions (principalement des protons, mais aussi des ions plus lourds comme le carbone) à des énergies de l’ordre du MeV. Cette dernière technique a suscité un intérêt croissant au cours des dernières décennies en raison de ses avantages par rapport à la radiothérapie, en termes de ciblage précis de la tumeur, de propriétés balistiques supérieures et d’efficacité biologique pour tuer les cellules.

Même si l’on pense que la mort cellulaire après irradiation d’un tissu est principalement causée par des dommages au niveau de l’ADN, peu de travaux ont été rapportés sur des oligonucléotides d’ADN isolés. Récemment, nous avons commencé à étudier l’influence de la structure sur l’ionisation et la fragmentation de l’ADN induites par les rayonnements ionisants, en nous concentrant sur les G-quadruplexes que l’on trouve dans les télomères à l’extrémité des chromosomes dans la plupart des organismes eucaryotes. Dans un avenir proche, nous prévoyons d’étudier les doubles hélices, la structure d’ADN la plus courante, notamment pour comparer le nombre de ruptures de double brin induites par les rayons X et les ions carbone.