Ultrafast polarization and vibrational motions in bacteriorhodopsin studied by coherent infrared emission spectroscopy.
Polarisation ultrarapide et mouvements vibrationnels dans la bactériorhodopsine étudiés par spectroscopie cohérente d'émission infrarouge.
Résumé
This work aims at elucidating primary proteins dynamics. More specifically, it deals with retinal proteins, which are in particular involved in vision processes. The model protein used is bacteriorhodopsin, a bacterial membrane protein that converts solar energy into a protons gradient. Upon absorption of a photon by the retinal cofactor, two phenomena appear, whose respective role and chronological order are still unknown: retinal isomerization in few hundreds femtoseconds and an ultrafast polarization of the retinal/protein system. The used spectroscopic method enables us to detect and quantify charge displacements with 13 fs time resolution, thus allowing temporal separation of both phenomena. It is based on a second order nonlinear process, optical rectification: following excitation with an oscillating electric field, an ultrafast directional polarization is created in a non centrosymetric medium. This medium consists of multilayer of oriented dry purple membranes, containing bacteriorhodopsin. The infrared beam emitted upon generation of the polarization is detected by letting it interfere with a broadband infrared reference beam created by optical rectification in a nonlinear crystal (GaAs or AgGaS2). The infrared beam emitted by bacteriorhodopsin directly reflects the dipole moment change between ground and excited states. In addition to this instantaneous response, a long lasting (up to several picoseconds) infrared emission is detected, reflecting charge displacements associated with vibrational motions of the retinal/protein complex. The separation of the two types of responses, and the detailed description of the overall signal in terms of frequency and phase, requires concerted use of several analysis methods. In this way, we have shown that an ultrafast (<13 fs) photoinduced transmembrane charges displacement takes place in bacteriorhodpsin. The associated dipole moment change (30 D) is higher in the protein complex, up to a factor 1.5 compared to retinal in solution. The simultaneous detection of both the electronic and vibrational responses paves the way to study the functional role of the initial polarization for the subsequent structural dynamics.
Ce travail, qui se place dans le cadre général de l'étude de la dynamique primaire des protéines, concerne les protéines à rétinal, protéines impliquées en particulier dans la vision. La protéine bactérienne modèle utilisée est la bactériorhodopsine, dont le rôle est la conversion de l'énergie lumineuse en un gradient de protons. L'interaction photon-rétinal induit initialement deux phénomènes, dont le rôle et la chronologie sont encore incertains: isomérisation du rétinal en quelques centaines de femtosecondes et établissement d'une polarisation ultrarapide au niveau du système rétinal/protéine. La méthode spectroscopique femtoseconde utilisée permet de détecter et quantifier des déplacements de charges avec une résolution temporelle de 13 fs, et ainsi de séparer temporellement ces deux phénomènes. Elle est basée sur un phénomène non linéaire du deuxième ordre, le redressement optique: l'excitation avec un champ électrique oscillant d'un matériau non centrosymétrique va créer une polarisation pointant toujours dans le même sens. Ce matériau consiste de multicouches anhydres orientées de membranes pourpres contenant la bactériohodopsine. Le champ infrarouge émis suite à l'établissement de cette polarisation est détecté en le faisant interférer avec un signal infrarouge de référence, généré par redressement optique dans un cristal non linéaire (GaAs ou AgGaS2). Le champ infrarouge émis par la bactériorhodopsine reflète directement la différence entre les moments dipolaires de l'état fondamental et de l'état excité. En plus de la réponse électronique instantanée de l'échantillon, une émission infrarouge est détectée qui dure sur plusieurs picosecondes, caractéristique des mouvements de charges associés aux mouvements vibrationnels du système rétinal/protéine. La séparation des deux types de réponse et la description d'etaillée, en fréquence et en phase, de l'ensemble du signal complexe nécessitent l'utilisation concertée de plusieurs méthodes d'analyse. Nous avons ainsi pu montrer qu'un déplacement de charges transmembranaire photoinduit ultrarapide (<13 fs) apparaît dans la bactériorhodopsine. Le changement de moment dipolaire du rétinal (30 D) est augmenté d'un facteur proche de 1.5 par rapport au cas du rétinal en solution: il est donc favorisé par la présence du complexe protéique. La détection simultanée des réponses électronique et vibrationnelle ouvre des pistes sur la détermination du rôle fonctionnel de la polarisation initiale pour la dynamique structurale qui lui est subséquente.
Loading...