De nombreuses molécules biologiquement importantes changent de forme lorsqu'elles sont stimulées par le rayonnement UV. Bien que cette propriété puisse également être trouvée dans certains médicaments, elle n'est pas encore bien comprise. En utilisant une technique innovante, une équipe internationale impliquant des chercheurs de Goethe University Francfort, le Xfel européen à Schenefeld et le Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy à Hambourg a élucidé ce processus ultra-rapide, et l'a rendu visible au ralenti, avec l'aide de la lumière des rayons X. La méthode ouvre de nouvelles façons passionnantes d'analyser de nombreuses autres molécules.
L'étude est publiée dans la revue Communications de la nature.
« Nous avons étudié la molécule 2-thiouracile, qui appartient à un groupe de substances pharmaceutiquement actives sur la base de certains blocs de construction de l'ADN, les nucléobases », explique le dernier auteur de l'étude Markus Gühr, chef du flash laser à électrons libres de Desy et professeur de chimie à l'Université de Hamburg. Le 2-thiouracile et ses substances actives chimiquement liées ont un atome de soufre, ce qui donne aux molécules ses propriétés inhabituelles et médicalement pertinentes.
« Une autre caractéristique spéciale est que ces molécules deviennent dangereusement réactives lorsqu'elles sont exposées au rayonnement UV. » Les études indiquent un risque accru de cancer de la peau en raison de cet effet.
Pour mieux comprendre ce qui se passe au cours de ces processus, l'équipe de recherche a utilisé une méthode déjà bien établie, en la portant à un nouveau niveau en appliquant les possibilités techniques disponibles aujourd'hui.
« L'imagerie d'explosion de Coulomb implique d'irradiation d'une molécule avec des impulsions de rayons X intenses, qui éliminent les électrons », explique Till Jahnke, professeur de physique atomique et moléculaire expérimentale à l'Université Goethe et le premier auteur de l'étude. « Ainsi, la molécule se charge positivement et devient donc instable, de sorte qu'elle est déchirée dans des fractions de seconde. »
En suivant la direction dans laquelle les différents fragments de la molécule – les atomes – se séparent, il est possible de dériver des informations sur la structure de la molécule.
À ce jour, l'imagerie d'explosion de Coulomb n'avait donné des résultats utiles que pour des molécules très simples. En utilisant une configuration expérimentale spécialement développée à l'Université Goethe, l'équipe de recherche a maintenant combiné cette technique avec le laser à rayons X le plus puissant du monde, European XFEL en utilisant l'instrument scientifique SQS (« petits systèmes quantiques ») d'Euxfel.
« Cette expérience est une innovation technique à bien des égards et constitue une expansion importante des possibilités expérimentales disponibles sur l'instrument SQS. Pour la première fois, il est maintenant possible d'utiliser ces techniques d'imagerie sur une molécule biologiquement et médicalement pertinente, et pas seulement pour la recherche physique fondamentale », explique Michael Meyer, chef de l'instrument SQS, sur l'expérience réussie.
Les impulsions de rayons X extrêmement puissantes d'European XFEL ont permis de fragmenter cette molécule, et ainsi pour effectuer une analyse de sa structure. Les chercheurs ont envoyé les molécules dans le faisceau laser à rayons X en utilisant une buse à gaz fin, ce qui signifie que seules les molécules isolées uniques sont irradiées à la fois. Une impulsion UV supplémentaire, irradiée peu de temps avant l'impulsion de rayons X, a été utilisée pour exciter les molécules.
« En faisant varier l'intervalle de temps entre les deux impulsions, il devient possible d'obtenir quelque chose comme un film au ralenti de ces processus, qui se déroule à une vitesse incroyable à moins de 100 à 1000 Femtosecondes, qui est à moins d'un millionième de millionième de seconde », explique Jahnke. À la fin du processus, un détecteur sophistiqué a enregistré les points d'impact et les temps des différents atomes du 2-thiouracile.
L'expérience a révélé deux résultats importants, dont le premier concerne le 2-thiouracile: le rayonnement UV provoque le pliage de cette molécule par ailleurs plate, ce qui entraîne à son tour la saillie de l'atome de soufre. Cet état est stable pendant une période relativement longue; Il garantit que la molécule devient très réactive et pourrait provoquer un cancer de la peau, par exemple.
« Il s'agit également d'une différence significative pour les nucléobases ordinaires, qui sont structurellement très similaires mais n'ont pas d'atome de soufre », explique Gühr. « Au lieu de cela, ils ont un mécanisme pour gérer le rayonnement UV et en fin de compte la conversion en chaleur inoffensive via divers états d'excitation et d'oscillation. » Dans le cas du 2-thiouracile, l'atome de soufre empêche une telle conversion.
« La deuxième constatation est liée à la technique expérimentale elle-même », explique Jahnke. « Comme nous l'avons vu, nous n'avons pas besoin de retrouver tous les atomes par le détecteur pour reconstruire la molécule et ses changements structurels. Tout ce dont nous avions besoin dans ce cas était de mesurer les atomes de soufre et d'oxygène ainsi que les quatre noyaux d'hydrogène, et nous pouvions ignorer les six atomes de carbone. »
Cette constatation simplifiera considérablement les mesures dans les études futures sur des molécules encore plus complexes et illustre clairement les vastes possibilités de cette méthode innovante.
