ESBODYR — Etats excités de systèmes d’intérêt biologique : vers une dynamique ultrarapide de conformères sélectionnés

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.