Examen de la réactivité des biomolécules dans la phase gazeuse : couplage spectrométrie de masse tandem avec les simulations de dynamique chimique

Addressing the reactivity of biomolecules in the gas phase : coupling tandem mass spectrometry with chemical dynamics simulations

• Auteur / Autrice : Estefanía Rossich Molina
• Direction : Jean-Yves Salpin, Riccardo Spezia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 23/09/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire analyse et modélisation pour la biologie et l'environnement (Evry, Essonne ; 1998-)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Richard B. Cole
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aude Simon, Debora Scuderi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuel Yáñez Montero, Rodolphe Vuilleumier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réactions monomoléculaires

Glucides

Uracile

Mots clés libres

Théorie RRQM (Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus)

Quantum mechanics/molecular mechanics (QM+MM)

Résumé

Durant cette thèse, nous avons abordé l'étude de la réactivité en phase gazeuse des biomolécules. L’avènement des techniques d’ionisation douces telle que l’ionisation par éléctronébulisation, a rendu possible ces dernières années, la formation d'ions en phase gazeuse sans dégrader la biomolécule étudiée.La Dissociation Induite par Collision (CID) est un cas particulier de spectrométrie de masse en tandem, que nous avons utilisée durant ce travail. Le principe du CID est d'activer les modes rovibrationnelles d’un système moléculaire ionique par collision avec un gaz inerte, ce qui augmente la probabilité de fragmentation de l'ion. Bien qu'étant une technique très utile d'un point de vue analytique, la spectrométrie de masse en tandem ne donne pas d'informations sur les mécanismes des réactions se produisant dans la cellule de collision; afin d’obtenir ces informations, les simulations de dynamique chimiques apparaissent comme un outil satisfaisant. En effet, en utilisant la dynamique directe, nous évitons ainsi d'explorer la totalité de la surface d'énergie potentielle, qui devient compliquée lors de l’étude d’édifices moléculaires de grande taille. Etant donné que les simulations de dynamique chimiques sont limitées à de courtes échelles, de l’ordre de la dizaine de picosecondes, nous avons également employé la théorie unimoléculaire RRKM (Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus) pour étudier la réactivité à des temps plus longs, en vue de comprendre les processus réactionnels se produisant à l’issue du processus de relaxation vibrationnelle intramoléculaire (IVR). Durant ce travail de thèse, nous avons choisi d'étudier comme système modèle de base nucléique la molécule d'uracile. Par ailleurs,nous avons aussi étudié la réactivité en phase gazeuse de sucres (cellobiose, maltose et gentiobiose), qui ont été au préalable dérivatisés afin de localiser la charge sur la molécule et ainsi simplifier l’étude théorique associée.

In the present thesis, we address the study of the reactivity of biomolecules in the gasphase.The advent of soft ionization techniques such as electrospray ionization, made possible, in the last years, the gentle formation of ions in the gas phase without breaking the molecule understudy.Collision Induced Dissociation (CID) is aparticular case of tandem mass spectrometrydynamics simulations are pointed like asatisfactory tool. Using direct dynamics weavoid exploring the whole potential energysurface, which becomes really complicatedwhen dealing with big molecules.Since chemical dynamics simulations arerestricted to the short time scale reactivity,typically ~10ps, we make use of the Rice–Ramsperger–Kassel–Marcus (RRKM)unimolecular theory to study the reactivity atUniversité Paris-SaclayEspace Technologique / Immeuble DiscoveryRoute de l’Orme aux Merisiers RD 128 / 91190 Saint-Aubin, Francethat we use in the present thesis. The aim of CIDis to activate the rovibrational modes of an ionicmolecular system by collisions with an inert gas,increasing the probability of the ion of beingfragmented.Despite being a really useful technique, tandemmass spectrometry does not give informationabout the mechanisms of the reactions takingplace in the collision cell; in order to obtain suchinformation, chemicallonger time scales to understand reaction pathsthat take place after intramolecular vibrationrelaxation (IVR).In the present thesis we have chosen to study asmodel system of nucleobase the uracil molecule.Furthermore, we also studied the gas-phase reactivity of carbohydrates (cellobiose, maltose and gentiobiose), which were preliminarily derivatized in order to simplify the charge localization, and consequently the theoretical study.