CNRS - GdR SpecMo n°3152 - Spectroscopie Moléculaire

Spectroscopie et applications d'intérêt biologique

Dans le domaine lié à l’étude des biomolécules où des avancées majeures ont été effectuées jusqu’à présent par des techniques impliquant la phase condensée (RMN, cristallographie X, spectroscopie IR) ou gazeuse (spectrométrie de masse), la question se pose du rôle que peut jouer la spectroscopie moléculaire à haute résolution sur cette thématique. C’est là un sujet relativement nouveau pour notre domaine et qui se heurte encore à un certain nombre de problèmes.

Une des idées de base de cet axe de recherche est que la structure et la fonction d’une biomolécule sont reliées. On peut donc penser que la connaissance des propriétés des « briques élémentaires du vivant » ou « molécules biomimétiques » qui constituent les biomolécules (comme les acides aminés, les peptides, les bases nucléiques, les sucres, …) conduira à une meilleure prédiction de la structure et de la fonction de molécules de grande taille. Les espèces d’intérêt biologique que nous pouvons étudier par spectroscopie à haute et à moyenne résolution (du domaine micro-onde à l’UV) sont généralement de taille relativement faible (contenant typiquement de 1 à 5 acides aminés et avec des poids moléculaires de quelques centaines de Daltons) et peuvent dès lors servir d’outils de validation des méthodes utilisées habituellement pour prédire les propriétés des molécules biologiques plus grosses.

Quelques problèmes actuels :

Le grand avantage des techniques spectroscopiques est en général leur spécificité à un groupe fonctionnel et parfois à un conformère. D’un autre côté, les challenges auxquels doit faire face le domaine en phase gazeuse sont d’ordre à la fois expérimental et théorique :

  • La mise en phase vapeur des molécules de taille significative pour la biologie avec une densité suffisante pour permettre un rapport signal/bruit suffisant et permettre leur analyse spectrale fine dans différents domaines spectraux
  • La modélisation des spectres obtenus pour en retirer les informations liées à la structure, au nombre de conformères des molécules d’intérêt biologique, aux moments dipolaires et quadripolaires, aux barrières de potentiel, sachant que ces spectres sont généralement très complexes à cause de la présence de un ou plusieurs mouvements de grande amplitude, qui joue(nt) par ailleurs un rôle important dans le repliement des protéines.

Le GdR jouera ici un rôle de réflexion et de consultation pour toutes ces questions qui reflètent de nouvelles orientations dans le domaine.

Spectroscopy and its applications to speices of biological interest

In an area dominated by condensed-phase investigations (NMR, X-ray crystallography, IR spectroscopy) or by mass-spectroscopic investigations of ionic species in the gas phase, the possible contribution of high-resolution optical spectroscopy was an open question. It is a relatively new field for our community, and one still facing many hurdles.

One of the key ideas behind this area of research exploits the building blocks of biomolecules, with their common structure and functional roles. The key to predicting the structure, and functional behaviour of large-scale biomolecules (amino acids, peptides, nucleic acids, bases, sugars …) lies in prior understanding of the properties of the elementary structures from which they are formed, referred to as 'biomimetics'. The species accessible to high and modest spectral resolution in the gas phase are typically small : 1-5 amino acid groups with a few hundred Dalton mass. They will serve to evaluate the methods used to predict properties of larger biological molecules.

Some of the challenges to be faced

Spectroscopic techniques have the great advantage of being able to target a specific functional group, and even conformational structure. But there are obstacles to be overcome both for experimentalists and theorists.

It is not trivial to produce large biological molecules in the gas phase at sufficient concentration to produce good signal/noise ratios in their spectra. The spectra themselves are intrinsically congested because of the complex structures, and complicated by the effects of many large-amplitude motions (of primary importance in protein folding, for example). Modelling such spectra to extract information on structure, conformation, dipoles, quadrupoles, potential barriers is an ambitious target. SpecMo serves as a think-tank resource for development and progress in this area.

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