Vibrational climbing in hemoproteins by use of intense negatively chirped infrared pulses
Ascension vibrationnelle dans les hémoprotéines à l'aide d'impulsions infrarouges intenses à dérive de fréquence
Résumé
Understanding the details of biochemical reactions which take place inside proteins is a central goal of molecular biology. In this work, we are interested in the first steps of such reactions, which occur on a time scale of a few hundreds of femtoseconds. The typical approach consists of using ultrashort pulses in the visible or UV range to excite the molecule to an upper electronic state, which rapidly triggers the reaction with high efficiency.
In this work, we have studied another way to excite proteins: namely, by using infrared pulses to deposit energy directly in the vibration of the molecule. In theory, this technique allows one to explore the protein potential surface far from the harmonic region, and even to approach the transition state of the reaction catalysed by the protein. To maximise the energy transfered to the molecule, we used intense and negatively chirped infrared pulses, which allows efficient climbing of the vibrational energy ladder.
In a first step, I generated intense infrared pulses whose energy is several microjoules and whose spectral width is roughly 170 cm-1. We then characterized these pulses using several methods: in particular, we measured their spectral phase using time-domain HOT SPIDER, resulting in the first self-referenced spectral phase measurement for infrared pulses centred around 10 µm.
In a second step, we used these infrared pulses to excite the vibration of a CO molecule bound to myoglobin and hemoglobin. In the latter case, we demonstrated vibrational climbing of the CO molecule up to the 7th step of the ladder, thus realising the first vibrational climbing experiment in a biological molecule, or more generally in a macromolecule. This technique gave new spectroscopic insight into carboxy-hemoglobin, such as the position and width of the absorption lines, the excited states lifetimes, and the presence of a significant electrical anharmonicity.
In this work, we have studied another way to excite proteins: namely, by using infrared pulses to deposit energy directly in the vibration of the molecule. In theory, this technique allows one to explore the protein potential surface far from the harmonic region, and even to approach the transition state of the reaction catalysed by the protein. To maximise the energy transfered to the molecule, we used intense and negatively chirped infrared pulses, which allows efficient climbing of the vibrational energy ladder.
In a first step, I generated intense infrared pulses whose energy is several microjoules and whose spectral width is roughly 170 cm-1. We then characterized these pulses using several methods: in particular, we measured their spectral phase using time-domain HOT SPIDER, resulting in the first self-referenced spectral phase measurement for infrared pulses centred around 10 µm.
In a second step, we used these infrared pulses to excite the vibration of a CO molecule bound to myoglobin and hemoglobin. In the latter case, we demonstrated vibrational climbing of the CO molecule up to the 7th step of the ladder, thus realising the first vibrational climbing experiment in a biological molecule, or more generally in a macromolecule. This technique gave new spectroscopic insight into carboxy-hemoglobin, such as the position and width of the absorption lines, the excited states lifetimes, and the presence of a significant electrical anharmonicity.
La compréhension des réactions biochimiques qui se déroulent au sein des protéines est un enjeu fondamental de la biologie actuelle. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux premières étapes de ces réactions, qui se produisent à l'échelle de la centaine de femtosecondes. Traditionnellement, l'étude de ces premières étapes se fait à l'aide d'impulsions ultracourtes dans le domaine visible ou ultraviolet : ces impulsions font passer la molécule sur un état électronique excité, ce qui permet de déclencher la réaction étudiée de manière ultrarapide et très efficace.
Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée.
Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm-1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique de HOT SPIDER temporel, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 µm.
Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la présence d'une anharmonicité électrique importante.
Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée.
Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm-1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique de HOT SPIDER temporel, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 µm.
Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la présence d'une anharmonicité électrique importante.
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