Département de Chimie de l'École normale supérieure

CNRS
vue du département de chimie

 

 

 

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Some like it hot!

 

 

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Imager des molécules dans des cellules est un enjeu contemporain : il faut détecter de petites quantités dans de petits volumes et donc conjuguer haute sensibilité et haute résolution ! La spectroscopie IR est intéressante pour faire de l’imagerie chimique : parce qu’elle excite des niveaux vibrationnels, elle présente l’intérêt de ne pas induire de photoblanchiment. Elle est déjà utilisée en imagerie tissulaire. Mais passer à une détection sub-cellulaire est un défi : si l’on procède, comme avec un microscope classique, par une détection optique, la résolution ne peut pas être inférieure au µm en raison de la diffraction. Comment faire pour voir l’intérieur de cellules qui font 20, 10 ou 1 µm de diamètre? Ne pas détecter optiquement mais thermiquement !
Une équipe du laboratoire des BioMolécules a montré, en collaboration avec le Laboratoire de Chimie Physique et l’ENSCP, qu’il est possible d’utiliser un microscope à effet thermique pour localiser des complexes de type métal-carbonyle dans des cellules.
Ce microscope, développé par A. Dazzi au LCP, consiste à poser en mode contact une pointe AFM sur un objet irradié par un laser IR pulsé (le laser CLIO). Lorsque la longueur du laser est accordé dans un bande d’absorption du composé, celui-ci absorbe le rayonnement et échauffe son environnement très localement et très temporairement (le laser étant pulsé). Cet échauffement induit une dilation locale et une onde accoustique. Elle est ressentie par la pointe AFM qui se met à osciller. Cette oscillation est le signal AFM-IR. Les métaux carbonyles sont de bonnes sondes IR, avec deux bandes intenses dans la région 1800-2200 cm—1, zone du spectre où les milieux biologiques n’absorbent pas.
Il a été possible à ce consortium de chimistes, physiciens et biologistes, de visualiser un complexe de rhénium carbonyle à l’intérieur d’une cellule, après incubation à 10 µM pendant 1h. Ils ont pu aussi localiser le noyau grâce à sa signature IR propre, c’est-à-dire sans marqueurs exogènes, et montrer que la molécule était localisée au noyau...
Mieux encore, ils ont pu enregistrer un spectre IR au noyau et retrouver les signaux caractéristiques de la molécule au noyau d’une unique cellule !

 

Contact : Clotilde.Policar@ens.fr
Référence : Subcellular Imaging in the mid-IR of a Metal-Carbonyl Moiety using Photothermal Induced Resonance
Clotilde Policar*, Jenny-Birgitta Waern, Marie-Aude Plamont, Sylvain Clède, Céline Mayet, Rui Prazeres, Jaan-Michel Ortega, Anne Vessières, Alexandre Dazzi
Angew. Chemie, Int. Ed., 2011, 860, inside cover

 


 

Des orbitales localisées aux propriétés des matériaux :
Construction de champs de forces classiques pour la matière condensée

 

 

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Les simulations moléculaires sont devenues des outils indispensables pour résoudre de nombreux problèmes physico-chimiques, allant de la détermination de mécanismes biologiques jusqu’à la caractérisation de propriétés des matériaux. Un des enjeux majeurs pour que ces simulations soient prédictives est la qualité des champs de force représentant les interactions entre atomes, qui doivent concilier des exigences antagonistes : d’une part la fidélité de la description, d’autre part la simplicité du modèle et la facilité à déterminer les paramètres associés.

Des chercheurs du laboratoire PECSA et du laboratoire PASTEUR ont proposé une approche originale à ce problème en utilisant une représentation de la structure électronique en termes d’orbitales localisées. Ces orbitales correspondent aux liaisons à deux électrons et aux paires libres de la théorie de Lewis. Ils ont alors montré comment déterminer des champs de forces pour les simulations moléculaires à partir des propriétés géométriques de ces orbitales. Cette approche a déjà connu des succès pour les molécules en phase gazeuse, et l’originalité de ce travail a consisté à l’étendre au cas des phases condensées non-métalliques. Les premières applications aux sels fondus et à l’eau liquide démontrent la qualité des champs de forces obtenus. Les orbitales localisées constituent ainsi le chaînon manquant entre la structure électronique en phase condensée et les propriétés physico-chimiques des matériaux. Ces travaux, publiés dans la revue Physical Review Letters, soulignent l’importance des concepts chimiques de la théorie de Lewis pour comprendre la structure atomique de la matière.

 

Contact : Rodolphe.Vuilleumier@ens.fr
Référence : From Localized Orbitals to Material Properties : Building Classical Force Fields for Nonmetallic Condensed Matter Systems
B. Rotenberg, M. Salanne, C. Simon and R. Vuilleumier
Phys. Rev. Lett. 2010, 104, 138301

 


 

 

 

Caractérisation spectro-temporelle du mécanisme de photoactivation de deux nouveaux photorécepteurs de la famille des cryptochrome/photolyase

 

 

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Nous avons étudié par spectroscopie d’absorption transitoire femtoseconde la dynamique de photoactivation de deux nouvelles flavoprotéines (OtCPF1 and OtCPF2) de la famille des cryptochromes et photolyase (CPF), issues de l’algue verte Ostreococcus tauri. Après excitation du cofacteur flavine adénine dinucleotide dans sa forme oxydée (FADox), nous avons observé dans les deux cas la photoréduction ultrarapide de FADox: en 390 fs pour OtCPF1 et 590 fs pour OtCPF2. Bien qu’un tel transfert d’électron ultrarapide ait déjà été rapporté pour d’autres flavoprotéines, le présent résultat est la première démonstration avec caractérisation spectrale complète de ce mécanisme. L’analyse du spectre du photoproduit a permis d’identifier un résidu tryptophane comme donneur primaire d’électron. Ce résidu est oxydé sans transfert de proton, donnant la forme protonée du radical cation (WH•+), alors que FADox est réduit en FAD•-. Une dynamique plus lente est observée dans le régime ps et sub-ns. Elle est décrite par un déclin biexponential partiel du photoproduit primaire (en 9 and 81 ps for OtCPF1, et 13 and 340 ps for OtCPF2), laissant un photoproduit de longue durée de vie. Nous interprétons ces observations dans ce cadre d’un modèle proposé par les groupes de K. Brettel et M. Vos pour décrire la photoréduction de FADH• lié à la photolyase CPD de E. coli au moyen d’une succession de transferts d’électron le long d’une chaîne de trois résidus tryptophane. L’étape cinétique limitante était dans ce cas la photoréduction primaire de FADH• en 30 ps. Dans la présente étude, l’excitation sélective de FADox a permis de révéler les étapes suivantes et de les attribuer spectroscopiquement au processus de saut d’électron le long de la chaîne tryptophanes, bien conservée au sein de la famille CPF. Une modélisation de la structure tertiaire des protéines par homologie a par ailleurs permis d’estimer l’orientation relative de la flavine et des trois résidus tryptophane conservés. Des mesures préliminaires d’anisotropie d’absorption transitoire sur OtCPF2 ont finalement apporté un support additionnel au mécanisme de Brettel-Vos, en montrant que l’orientation du radical tryptophanyl produit en 340 ps est compatible avec celle du tryptophane distant WH351.

 

Contact : Pascal.Plaza@ens.fr
Référence : Spectro-Temporal Characterization of the Photoactivation Mechanism of Two New Oxidized Cryptochrome/Photolyase Photoreceptors
Johanna Brazard,† Anwar Usman,† Fabien Lacombat,† Christian Ley,† Monique M. Martin,† Pascal Plaza,*† Laetitia Mony,§ Marc Heijde,‡ Gérald Zabulon,‡ and Chris Bowler
J. Am. Chem. Soc.,2010, 132 (13), pp 4935-4945

 


 

 

Imagerie par résonance magnétique en champs inhomogènes

 

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) nécessite des champs magnétiques très homogènes afin de pouvoir générer des images d’objets ou d’organismes vivants sans artefacts et distorsions. Cependant, cette condition est difficile à satisfaire en IRM clinique où la qualité des images est dégradée par la nature hétérogène des tissus biologiques. Par ailleurs, les applications non-médicales de l’IRM doivent tenir compte des discontinuités de susceptibilité magnétique présentes dans les matériaux. Les méthodes d’acquisition rapides, telles que l’imagerie echo-planaire (Echo-Planar Imaging), peuvent compenser les effets des inhomogénéités de champs magnétiques par l’intermédiaire de corrections précédant ou suivant l’acquisition, nécessitant la connaissance a priori du profil spatial des inhomogénéités de champs.

Nos récentes séquences d’IRM par encodage spatial croisé sondent directement l’espace Cartésien sans nécessiter de transformées de Fourier ultérieures grâce à l’emploi d’impulsions adiabatiques et de gradients appliqués simultanément dans deux dimensions perpendiculaires. Ces méthodes permettent de supprimer les effets indésirables des inhomogénéités de champs magnétiques dont la distribution spatiale est inconnue. L’IRM par encodage spatial croisé rend possible l’obtention d’images en deux ou trois dimensions qui sont très semblables en dépit de la présence d’inhomogénéités du champ magnétique statique, qui peuvent être appréciées par la largeur du signal RMN de l’eau.

 

 

Contact : Raphaël.Paquin@ens.fr, Philippe.Pelupessy@ens.fr, Geoffrey.Bodenhausen@ens.fr
Plus d’informations dans : Cross-encoded magnetic resonance imaging in inhomogeneous fields
Raphael Paquin, Philippe Pelupessy, Geoffrey Bodenhausen
Journal of Magnetic Resonance, 201, 199-204, 2009

 


 

 

Photocontrôle de l’expression génétique

 

 

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Nous avons développé une méthode pour contrôler les processus entrant en jeu dans l’expression génétique (transcription, traduction) par la lumière. Celle-ci, basée sur des changements photo-induits de conformation des acides nucléiques (la conformation de l’ADN contrôlant la transcription, celle de l’ARN la traduction) plutôt que sur des interactions spécifiques, possède l’avantage unique d’être à la fois réversible et indépendante de la séquence et de la longueur de l’acide nucléique considéré.

 

 

 

Contact : Damien.Baigl@ens.fr
Référence : Sequence-independent and reversible photocontrol of transcription/expression systems using a photosensitive nucleic acid binder
A. Estévez-Torres, C. Crozatier, A. Diguet, T. Hara, H. Saito, K. Yoshikawa, D. Baigl
PNAS, 106, 12219-12223, 2009

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Prix et distinctions

 

- Célia Lemmer est devenue "Lauréate du prix Richelieu spécialisé en Sciences pour l'année 2010 de la Chancellerie des Universités de Paris" pour sa thèse « Etude Spatio-Temporelle du Transport de Masse au Voisinage d'Electrodes Intégrées dans un Canal Microfluidique» soutenue à l'université Paris 7, le 30 novembre 2009, Directeurs de thèse: Christian Amatore et Laurent Thouin.

 

- Christian Amatore a été promu au grade de chevalier de la Légion d'honneur, par décret du Président de la République en date du 2 avril 2010.

 

- Christian Amatore à été nommé Honorary Fellow de la Royal Society of Chemistry et Fellow de la Chinese Chemical Society.

 

- Damien Baigl, Maitre de Conferences au Département de Chimie de l'ENS, a été nommé Membre Junior de l'Institut Universitaire de France.

 

 

Les Membres du département publient

 

- Irene Burghardt, Directrice de Recherche CNRS, est co-editrice des actes d'une conference recente sur les phenomenes quantiques dans les systemes biologiques et bio-materiaux: "Energy Transfer Dynamics in Biomaterial Systems", Eds. I. Burghardt, V. May, D. A. Micha, and E. R. Bittner

Springer Series in Chemical Physics, Vol. 93, Springer Verlag, Heidelberg/Berlin (2009)

 

Manifestations

 

- Le département chimie de l'ENS accueillera le lundi 30 mai, à l'occasion de l'année internationale de la chimie, les enfants d'une école primaire. Les enfants manipuleront autour de huit ateliers :
 
- Atelier 1 : Du chou rouge multicolore !
- Ateliers 2 et 3 : Des liquides pas si liquides : le slime (2) et la maïzena (3)
- Ateliers 4 et 5 : La cuisine moléculaire, des billes d'alginate (4) à la mousse au chocolat (5)
- Ateliers 6 et 7 : Attention, une couleur peut en cacher une autre : sirop ou feuilles de menthe (6) et feutres (7)
- Atelier 8 : L'électricité dans la cuisine...
Nous présenterons aussi des expériences autour desquelles nous discuterons : huiles essentielles de l'écorce d'orange et jardins chimiques... Tous les curieux sont les bienvenus...

 

- Congrès annuel Métalloprotéines et modèles du 5 au 8 décembre 2010 à Aussois http://www.club-metalloproteines.u-psud.fr/

 

- Symposium Probes for peptide science: design and methodological development les 8 et 9 avril 2010 à Paris, sous l'égide du Groupe Français des Peptides et Protéines (GFPP) et de son homologue anglais (Protein and Peptide Science Group) de la Royal Society of Chemistry. http://www.congres.upmc.fr/gfpp2010/

 

- Colloque Chimie et Alimentation 7 octobre 2009 - Maison de la Chimie (information et inscription: http://www.maisondelachimie.asso.fr/colloques/chimie-et-alimentation)

 

- Formation CNRS: Quelle place pour la chimie dans une société durable ? 19 - 24 octobre 2009, Cargèse (information et inscription: http://www.cnrs.fr/midi-pyrenees/FormationPermanente/ListeFormation.aspx)

 

- Colloque de synthèse du PIR CNRS Chimie pour le Développement Durable, 3 et 4 novembre 2009, CNRS Paris (information et inscription: http://www.ffc-asso.fr/CPDD)

 

 

 

 


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