L’irradiation de l’ammoniac – composé d’un azote et de trois hydrogènes – avec de la lumière ultraviolette provoque la dissociation d’un hydrogène de l’ammoniac. Les chercheurs du SLAC ont utilisé une « caméra électronique » ultrarapide pour observer exactement ce que faisait cet hydrogène lors de sa dissociation. La technique avait été proposée, mais n’avait jamais fait ses preuves jusqu’à présent. À l’avenir, les chercheurs pourraient utiliser cette technique pour étudier les transferts d’hydrogène – des réactions chimiques critiques à l’origine de nombreux processus biologiques. Crédit : Nanna H. List/KTH Royal Institute of Technology
Prouver que la technique fonctionne permet aux scientifiques de faire un pas de plus vers la résolution des mystères des transferts d’hydrogène.
Les scientifiques ont capturé des atomes d’hydrogène en mouvement rapide – clés d’innombrables réactions biologiques et chimiques – en action.
Une équipe dirigée par des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et de l’Université de Stanford a utilisé la diffraction électronique ultrarapide (UED) pour enregistrer le mouvement des atomes d’hydrogène dans les molécules d’ammoniac. D’autres avaient émis l’hypothèse qu’ils pouvaient suivre les atomes d’hydrogène par diffraction électronique, mais jusqu’à présent, personne n’avait réussi l’expérience.
Le potentiel des électrons à haute énergie
Les résultats, publiés le 5 octobre dans la revue Examen physique Des lettresexploitent les atouts des électrons mégaélectronvolts (MeV) à haute énergie pour étudier les atomes d’hydrogène et les transferts de protons, dans lesquels le proton singulier qui constitue le noyau d’un atome d’hydrogène atome passe d’une molécule à une autre.
Les transferts de protons entraînent d’innombrables réactions en biologie et en chimie – pensez aux enzymes, qui aident à catalyser les réactions biochimiques, et aux pompes à protons, essentielles aux mitochondries, les centrales électriques des cellules – il serait donc utile de savoir exactement comment sa structure évolue au cours de ces réactions. Mais les transferts de protons se produisent ultra-rapidement – en quelques femtosecondes, un millionième de milliardième de seconde. Il est difficile de les attraper en action.
Défis des techniques d’observation
Une possibilité consiste à projeter des rayons X sur une molécule, puis à utiliser les rayons X diffusés pour en apprendre davantage sur la structure de la molécule au fur et à mesure de son évolution. Hélas, les rayons X n’interagissent qu’avec les électrons – et non avec les noyaux atomiques – et ce n’est donc pas la méthode la plus sensible.
Pour obtenir les réponses qu’ils cherchaient, une équipe dirigée par le scientifique du SLAC Thomas Wolf, a mis en service MeV-UED, la caméra à diffraction électronique ultrarapide du SLAC. Ils ont utilisé de l’ammoniac en phase gazeuse, qui comporte trois atomes d’hydrogène attachés à un atome d’azote. L’équipe a frappé l’ammoniac avec de la lumière ultraviolette, dissociant ou brisant l’une des liaisons hydrogène-azote, puis a envoyé un faisceau d’électrons à travers celle-ci et a capturé les électrons diffractés.
Réalisations et implications
Au cours de ce processus, l’équipe a réussi à détecter les signaux provenant de l’atome d’hydrogène se détachant du noyau d’azote et à noter le changement structurel moléculaire qui en a résulté. De plus, les électrons déviés sont projetés sous des angles différents, permettant ainsi la différenciation entre les deux signaux.
« Avoir quelque chose de sensible aux électrons et quelque chose de sensible aux noyaux dans la même expérience est extrêmement utile », a déclaré Wolf. « Si nous pouvons voir ce qui se passe en premier lorsqu’un atome se dissocie – que les noyaux ou les électrons fassent le premier pas pour se séparer – nous pouvons répondre aux questions sur la manière dont les réactions de dissociation se produisent. »
Grâce à ces informations, les scientifiques pourraient se rapprocher du mécanisme insaisissable du transfert de protons, ce qui pourrait aider à répondre à une myriade de questions en chimie et en biologie. Savoir ce que font les protons pourrait avoir des implications importantes en biologie structurale, où les méthodes traditionnelles comme la cristallographie aux rayons X et la cryomicroscopie électronique ont du mal à « voir » les protons.
Directions futures
À l’avenir, le groupe réalisera la même expérience en utilisant les rayons X du laser à rayons X du SLAC, la source de lumière cohérente Linac (LCLS), pour voir à quel point les résultats sont différents. Ils espèrent également augmenter l’intensité du faisceau d’électrons et améliorer la résolution temporelle de l’expérience afin de pouvoir réellement résoudre les différentes étapes de la dissociation des protons au fil du temps.
La recherche a été financée en partie par le Bureau des sciences du DOE. MeV-UED est un instrument de l’installation laser à rayons X LCLS du SLAC. LCLS est une installation utilisateur du DOE Office of Science.
