Institut de Chimie Physique

La réduction sélective de l’oxygène en eau est cruciale pour la vie et constitue un processus central chez les organismes aérobies. La cytochrome bd oxydase est une oxygène réductase terminale procaryote qui permet l'adaptation des bactéries à différents environnements et confère une résistance aux conditions de stress. N'étant pas présente chez l'humain, elle constitue une cible intéressante pour la recherche sur les antibiotiques. Des études structurales récentes ont mis en évidence un degré élevé de diversité entre les cytochromes bd de différents organismes et ont révélé que, contrairement à ce qui avait été supposé précédemment, la réduction de l'oxygène a lieu sur un site mono-hème. Le mécanisme de réaction doit donc être revu. Les études biochimiques, électrocatalytiques, spectroscopiques (IR, Raman, RPE) et de modélisation sont des approches complémentaires qui permettront d'éclairer le mécanisme réactionnel de l'enzyme. Le rôle de la quinone et la réactivité du site mono-hème dans deux variantes du cytochrome bd seront particulièrement étudiés. Nous développerons des approches expérimentales combinant la reconstitution d'un environnement de membrane type avec la technologie des nanodisques et l'utilisation de techniques électrochimiques et spectroscopiques. Elles seront couplées à des simulations moléculaires de pointe pour aider à interpréter les données expérimentales et/ou proposer de nouvelles hypothèses. Les résultats permettront de caractériser le mécanisme de cette importante famille d’enzymes.

L’altération des peintures murales dépend en particulier des conditions de conservation de la peinture, son degré d’exposition à la chaleur, à l’humidité, aux agents polluants et à la lumière naturelle ou artificielle. Le projet de stage sera donc de mettre en place une étude de vieillissement artificiel de peintures modèles (protéine liantes appliquées sur un support inerte) en présence ou non de différents pigments, à différents degrés d’humidité et de température. Les protéines contenues dans ces échantillons seront ensuite traitées en adaptant la méthode mise au point au laboratoire, car la présence des pigments pourrait avoir une influence sur le vieillissement des liants et perturber l’hydrolyse de la protéine par la trypsine. Les extraits seront ensuite analysés par la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem pour mettre en évidence une éventuelle modification des protéines. Les cinétiques de dégradation de plusieurs protéines liantes associées à différents pigments minéraux sera étudiée, en particulier celles des caséines du lait et de l’ovalbumine dont l’analyse est déjà établie au laboratoire, mais également celles de la vitellogénine et du collagène.

Préparés à partir de peaux animales, les parchemins sont constitués essentiellement de fibres de collagène et sont sensibles à divers facteurs d’altération, principalement l’eau (hydrolyse) et la chaleur (oxydation). Un défi crucial pour définir des traitements ou des conditions de conservation adaptées est de déterminer l’état de conservation du collagène de manière non invasive et ainsi prévenir une dégradation irrémédiable du parchemin, la gélatinisation. Le but de ce projet est de mesurer et caractériser les modifications physico‐ chimiques et morphologiques du collagène en fonction des conditions de température et d’humidité et de comprendre leurs origines. Notre approche est basée sur la microscopie optique non‐linéaire, technique non invasive à l’échelle micrométrique pour caractériser l’état de conservation du collagène sous forme fibrillaire. En parallèle, des techniques d’analyse infrarouge multi‐échelle apportent un suivi des altérations du point de de vue chimique. L’enjeu principal de ce projet est de faire le lien à la fois entre les différentes échelles sondées (du nanomètre au micromètre) et les différents signaux physico‐chimiques collectés. Les connaissances nouvelles apportées sur l’altération du collagène au sein des parchemins permettront à terme une interprétation plus fine des observations avec des techniques plus conventionnelles utilisées en conservation‐restauration, telles que l’observation de fibres sous loupe binoculaire ou par platine chauffante (MHT, Micro Hot Table).

Parvenir à une réduction efficace des émissions de gaz à effet de serre nécessite à la fois de prévenir l’épuisement des ressources et de proposer des solutions durables pour répondre à la demande croissante d’énergie. La technologie développée dans le projet NEXPECH2 répond efficacement aux défis mentionnés ci-dessus en utilisant l’énergie solaire pour convertir l’eau en hydrogène vert (H2). à température et pression atmosphérique standard. L’hydrogène vert est un carburant chimique propre et durable qui peut être stocké à grande échelle pendant longtemps et utilisé pour remplacer les combustibles fossiles comme moyen de stockage d’énergie, comme carburant de transport et comme matière première. L'objectif ultime de NEXPECH2 est de fournir du H2 vert à l'échelle d'un laboratoire prototype via le développement d'un système photoélectrochimique (PEC) innovant pour une récupération maximisée de la lumière solaire et une conversion solaire efficace en H2. Le projet développera un dispositif compact à faible coût avec pour objectif d'atteindre 10 % d'efficacité solaire-carburant et < 10 % de dégradation sur 200 h de fonctionnement.

Pour comprendre le comportement et altération de peintures dans le contexte patrimonial et pour proposer des méthodes de conservation et de restauration adéquates, il est nécessaire d’en connaitre leur composition mais aussi l’évolution de cette composition au cours du temps. Cette dernière concerne particulièrement les peintures murales et dépend en particulier des conditions de conservation de la peinture, son degré d’exposition à la chaleur, à l’humidité, aux agents polluants et à la lumière naturelle ou artificielle (1). Les peintures patrimoniales sont majoritairement constituées de pigments et de liants d’origine naturelle, entre autres de matières protéiques comme les colles animales, le lait et l’oeuf. Ces composants sont facilement sujets à la dégradation. L’étudiant durant son stage de Master 2 devra mettre au point une méthode de détection des protéines contenues dans les liants des peintures patrimoniales. Pour cela, il utilisera la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse (UHPLC-MS), équipement qui a fait l’objet d’un financement du DIM PAMIR et dont l’acquisition est prévue fin 2024. Ce matériel permet de détecter et de quantifier les protéines modifiées ou non dans échantillon, après leur hydrolyse par la trypsine (2). Pour chaque protéine, l’étudiant devra sélectionner les peptides lui permettant sa détection et sa quantification sélective et sensible. Ce travail exploratoire permettra de mettre au point la méthode en utilisant des protéines modèles commerciales (caséine, ovalbumine, collagène de sources différentes). Lors de ce stage l’étudiant abordera la méthode d’analyse protéomique bottom-up. Cette dernière oblige à hydrolyser les protéines d’intérêt en peptides avant leur analyse par UHPLC-MS. Avant cette analyse l’étudiant effectuera un traitement in silico sur les séquences des protéines pour prévoir les peptides qui se formeront après hydrolyse.

The quantum mechanical simulation of time-dependent (TD) phenomena is relevant for many technological and medical applications, as in solar cells design, control of radiation damage in biomolecules, photocatalysis, nanoscale conductance devices, and quantum computers. With this proposal, the candidate intends to overcome the most critical limitations of current methods for the calculation of electronic dynamics - most notably of TD Density Functional Theory (DFT) - by pioneering a combination of (1) innovative density functional approximations and (2) an algorithm for time-propagation that treats one electron semi-classically. The common thread linking these parts is the so-called exact factorization, an overarching strategy that has been used by both the candidate and the supervisor in the contexts of DFT and molecular dynamics (MD), respectively. According to this strategy, the wavefunction is rewritten as a product of a “marginal” and a “conditional” amplitude and the corresponding Schrödinger equation is conveniently expanded into two coupled equations, providing a clear decomposition of the chemical environment. Joining together the candidate's expertise in fundamental DFT and the supervisor’s expertise in trajectory-based approaches, the algorithm that will be developed takes inspiration from the method elaborated by the host for ab initio MD simulations and adapts and supplements it in a way suitable to treat the motion of electrons. The project includes validation of the algorithm on simple electronic structures (simple atoms/molecules), whose static and dynamical densities and potentials are computationally accessible and can serve as benchmark. The end goal of the project is to develop a reliable and computationally practical method for the simulation of ultrafast processes that can support and complement the emergent experimental techniques (attosecond spectroscopy), particularly for those cases for which present TDDFT or alternative approaches fail.

Le traitement de l'eau est une préoccupation mondiale majeure à laquelle les scientifiques doivent faire face. Les procédés d’oxydation avancés (AOP) catalytiques sont des technologies d’avenir qu’il convient encore d’améliorer pour viser une dépollution viable de l’eau, les traitements conventionnels actuels échouant à dégrader efficacement un large éventail de contaminants organiques réfractaires. MULTICAT est un projet de type preuve de concept, visant à concevoir un nouveau catalyseur composite multi-fonctionnel trois-voies assistés par la lumière solaire, associant la fonction catalytique de synthèse de H2O2, à celles (duales) de minéralisation des composés organiques réfractaires dans l’eau par une combinaison d’AOPs opérant en synergie. De nouveaux catalyseurs duals à faible gap, actifs sous lumière solaire, robustes et de propriétés modulables, seront étudiés pour bénéficier de la synergie à température ambiante entre catalyse photo-Fenton hétérogène et photocatalyse pour minéraliser les polluants avec des cinétiques élevées, tandis que la synthèse in-situ d’H2O2 sera optimisée sur de nouveaux polymères semiconducteurs conjugués nanostructurés à faible gap. Sur la base du concept de localisme catalytique, nous visons à concevoir des architectures catalytiques qui embarquent ces deux types catalyseurs actifs sous lumière solaire permettant la synthèse in situ de H2O2 à partir de H2O et O2 et son utilisation par photo-CWPO. Elles seront construites par assemblage couche-par-couche en utilisant des polyélectrolytes inorganiques pour contrôler le positionnement spatial des deux catalyseurs.

Les parasites Apicomplexa sont des agents infectieux responsables de graves maladies chez l’homme telles que la malaria et la toxoplasmose. La malaria touche ~250millions de personnes/an et en tue ~1/2million chaque année. La toxoplasmose affecte ~1/3 de la population mondiale et constitue une menace pour tous les patients immunodéprimés. Il n’existe pas de vaccin efficace et les parasites deviennent résistants à la plupart des traitements actuels. Il y a donc urgence d’identifier de nouvelles cibles. Au cours de leur cycle cellulaire les Apicomplexa survivent grâce à un apport massif en nutriments dont les lipides. Leur biogenèse membranaire dépend (i) d’un détournement des lipides de l’hôte, (ii) des voies de néosynthèse lipidique du parasite et (iii) d’un intense flux entre ces 2 sources lipidiques. Nous avons récemment démontré que le parasite doit stocker les lipides de l’hôte afin d’éviter leur accumulation létale et pouvoir les mobiliser lors de la division cellulaire. Comment le parasite orchestre-t-il l’ensemble de ces flux lipidique essentiels à sa survie intracellulaire ? Nous avons révélé que les sites de contacts membranaires et les « lipid transfer protéines (LTP)» associées ont un rôle essentiel dans ces transferts lipidiques chez les modèles humains. Ces contacts existent chez le parasite ainsi qu’aux interfaces d’interactions métaboliques entre le parasite et l’hôte. Nous avons identifié les candidats LTPS parasitaires et humains qui seraient à l’origine de ces transferts lipidiques essentiels à la survie du parasite. Nous proposons de déterminer leur fonction lors du développement intracellulaire de Toxoplasma gondii dans la cellule humaine par de nouvelles approches de lipidomique-fluxomique et de microscopie (FRET-FLIM et électronique). Notre projet permettra d’élucider les mécanismes de transport et homéostasie lipidique nécessaire a la survie du parasite et pourrait contribuer à identifier de potentielles cibles thérapeutiques innovantes.

Le dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD) est la très faible différence d’absorption par une molécule chirale entre une onde circulaire droite et gauche, dans le domaine de l’infrarouge (IR). Il est une sonde extrêmement sensible des interactions moléculaires, des changements conformationnels, et de l’organisation des solides. Le projet DICHROSOL associera des approches expérimentales et théoriques des spectroscopies d’absorption IR et VCD dans des solvants innovants comme les liquides ioniques ou les solvants eutectiques profonds, après une étape de validation des méthodes sur des solides cristallins. Les mesures expérimentales de spectroscopie IR et VCD dans la région du proche IR, pour une large gamme de systèmes et dans différentes conditions de température, seront interprétées par des simulations reposant sur la dynamique moléculaire (MD). Il faudra à cet effet adapter et appliquer des méthodes de MD ab initio ou reposant sur des champs de force de nouvelle génération, qui ont été récemment développées pour les espèces en solution ou les solides cristallins, à ces solvants impliquant de fortes interactions. Le projet utilisera en particulier la non-localité dans l’espace du signal VCD pour sonder la symétrie d’un cristal, l’organisation locale d’un solvant (liquide ionique ou solvant eutectique profond), les interactions soluté-solvant, avec un accent particulier sur la compréhension du transfert de chiralité entre le soluté et le solvant, la sélectivité des interactions entre un solvant chiral et les deux énantiomères d’un soluté chiral, ainsi que la définition d’indicateurs locaux de la chiralité.

Les électrons de basses énergies (EBE), quelques eV, sont abondamment produits lors de l’irradiation de la matière par les rayonnements ionisants, sans que l’on connaisse précisément les mécanismes de leur formation et de leur relaxation dans l’environnement. Nous étudierons par une approche couplée expérience/théorie la photo-ionisation de petites molécules (diazabicyclo[2.2 ;2]-octane), notamment d’intérêt biologique (amino acides, nucléobases de l’ADN), déposées sur des agrégats nanométriques. L’objectif est de comprendre ces phénomènes à l’échelle moléculaire sur des échelles de temps allant de la femto- à la picoseconde. Expérimentalement, le Velocity Map Imaging (P3, ISMO, Orsay) donnera accès à la distribution en énergies et en angles des photoélectrons (DEAP) réémis par les agrégats, permettant de caractériser les processus de diffusion élastiques et inélastiques. Afin de comprendre le rôle de l’intensité des interactions entre le milieu avec les EBE, différents environnements de diffusion seront testés (agrégats atomiques d’Ar, moléculaires de H2O, NH3, CO2). Ces données expérimentales constitueront un banc d’essai précieux pour valider les nouvelles approches de simulation. Pour s’attaquer au défi de la simulation de la dynamique de relaxation des photoélectrons au seins des agrégats à l’échelle nanométrique, nous développerons des algorithmes inédits reposant sur la DFT sans orbitales (OF-DFT). Nous couplerons cette approche à la DFT Kohn-Sham (P1, ICP, Orsay et P4, IDRIS, Orsay), à la DFTB (approche liaisons fortes de la DFT, P2, LCPQ, Toulouse) et à un potentiel MM (mécanique moléculaire) polarisable (P1, P2 et P4). Ces trois développements méthodologiques permettront des descriptions complémentaires : une description de meilleure qualité sur quelques trajectoires avec l’approche OF-DFT, des simulations exhaustives nécessaires à l’interprétation des expériences avec des méthodes plus efficaces mais mois précises (OF-DFTB et OF-MM). Une fois validés, les nouveaux algorithmes seront mis à disposition de la communauté scientifique dans les codes deMon2k et deMonNano. Les systèmes étudiés expérimentalement seront simulés afin de prédire leurs structures et leurs dynamiques. Nous simulerons la photo-ionisation en DFT dépendant du temps, et les phases de relaxation et diffusion seront simulées avec les nouveaux algorithmes. Les DEAP obtenus expérimentalement et théoriquement seront comparés, ce qui devrait permettre une compréhension avancée de l’évolution des systèmes. Nous fournirons à la communauté des temps caractéristiques de diffusion des électrons ainsi que des libres parcours moyens pour les systèmes étudiés pouvant être utilisés, par exemple, comme paramètres dans des codes de diffusion de type Monte Carlo. Grâce à BIRD nous disposerons d’outils uniques pour caractériser l’impact de la diffusion des EBE dans des systèmes moléculaires complexes dans des milieux biologiques (lésions de l’ADN ou d’autres biomolécules), astrochimiques (mécanismes de formation de molécules dans le milieu interstellaires ou dans les atmosphères/ionosphères planétaires) ou mis en jeu dans les industries spatiales et nucléaires.

Des études de bio-informatique récentes sur les bases de données des structures des protéines ont révélés qu’un tier de toutes les protéines connues ont leur structure stabilisée par des interactions non covalentes entre les atomes de soufre et les électrons pi des cycles aromatiques : l’interaction S-pi. Ces groupes S-pi servent aussi comme station relais dans le processus de transport d’électrons au sein des protéines. La pertinence biologique de cette interaction est aussi due à son implication dans des pathologies associées à la perte de l’interaction suite à l'oxydation des soufres, telles que Alzheimer et Creutzfeldt-Jacob. Les interactions S-pi gagnent actuellement en intérêt dans de nombreux secteurs de recherche, tel que les médicaments pour les thérapies ciblées, les catalyseurs organiques, ou encore la compréhension de la structure et de la fonction de biomolécules. Aujourd’hui, cependant, il n’existe pas de données spectroscopiques permettant d’identifier l’interaction S-pi. Étudier cette signature apporterait des informations sur la structure électronique, les transferts de charges et autres propriétés dérivées dans ces protéines, mais constituerait aussi un marqueur biologique de la dénaturation d’une protéine pour la détection précoce de certaines pathologies. Avec ce projet, nos équipes emploieront des méthodes spectroscopiques de pointe (spectroscopie IR, UV, VUV, rayons-X), en combinaison avec des techniques de spectrométrie de masse, pour identifier et caractériser l’interaction S-pi dans des peptides et des protéines ainsi que pour évaluer les effets de l’oxydation des soufres sur la dénaturation des protéines et la signature spectroscopique. Des calculs théoriques QM/MM, traitant de façon ab initio l’interaction S-pi et par mécanique moléculaire le reste de la molécule, serviront de support aux expériences. Le calcul des spectres se fera en combinaison avec une méthode de clustering pour estimer les familles de conformères les plus importantes.

L'électroluminescence est le phénomène définissant l'émission de lumière générée par un système en réponse à une tension appliquée - qui génère un courant (Strom, en allemand) dans le système. Dans notre vie quotidienne, nous observons souvent des exemples d'électroluminescence, dans les diodes électroluminescentes (DEL) et dans les DEL organiques (OLED), utilisées pour l'éclairage artificiel et les écrans. L'exploitation de l'électroluminescence dans les matériaux organiques pour des applications dans la technologie OLED promet d'être une source efficace, peu coûteuse et propre d'éclairs artificiels. Toutefois, la commercialisation à grande échelle des OLED nécessite encore des études sur leurs principes de fonctionnement, qui sont actuellement menées tant au niveau universitaire qu'industriel. Malgré les efforts croissants consacrés à ce sujet au cours des dernières années, la modélisation théorique et informatique de l'électroluminescence dans les matériaux organiques n'a pas réussi à fournir une image générale satisfaisante des processus microscopiques en jeu. STROM remédiera à ce manque d'informations de premier principe sur le phénomène de l'électroluminescence, en s'attaquant au problème des matériaux organiques manifestant une fluorescence retardée activée thermiquement (TADF). Les OLED de troisième génération sont basées sur la TADF et promettent d'être capables de récolter les excitations singlet et triplet produites dans la couche émettrice organique par l'application de la tension pour l'émission de lumière. STROM élucidera les étapes clés du phénomène d'électroluminescence dans les matériaux TADF organiques, en décrivant, sur la base des premiers principes, les processus (i) de migration électron-trou et de formation d'excitons par l'application de la tension, (ii) de conversion de triplet en singlet produisant une émission de lumière par fluorescence retardée, (iii) le processus d'émission spontanée par fluorescence. STROM fournira une compréhension qualitative et quantitative de la cascade de processus hors d'équilibre se déroulant dans la couche organique sur des échelles de temps et de longueur couvrant plusieurs ordres de grandeur.