Structures auto-assemblées de guanines étudiées par spectroscopie optique résolue en temps

Guanine self-assembled structures studied by time-resolved optical spectroscopy

• Auteur / Autrice : Ying Hua
• Direction : Dimitra Markovitsi, Pascale Changenet-Barret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 11/09/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Francis Perrin (Gif sur Yvette)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Lampre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dimitra Markovitsi, Pascale Changenet-Barret, Isabelle Lampre, Isabelle Leray, Philippe Lainé, Jean-Yves Salpin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Isabelle Leray, Philippe Lainé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de fluorescence

Transfert d'énergie

Excitations collectives

Mots clés libres

G-quadruplexes

Fluorescence résolue en temps

Transfert d’énergie

États ππ*

États à transfert de charge

G-quadruplexes

Time-resolved fluorescence

Energy transfer

.ππ* states

Charge transfer states

Résumé

Les brins d’ADN riches en guanine, comme ceux présents à l'extrémité des chromosomes humains, sont capables de s’associer entre eux pour former des structures G-quadruplexes, résultant de l’association de quatre guanines (G-tétrade). Ces structures sont actuellement l’objet d’un intérêt particulier pour le développement de nouvelles thérapies anti-cancéreuses et des applications potentielles pour l’électronique moléculaire. Il n’existe cependant que très peu d’études des propriétés photophysiques des G-quadruplexes. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier l’influence de la structrure des G-quadruplexes sur leurs propriétés photophysiques au moyen de la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur une gamme temporelle allant de la centaine de femtosecondes à la centaine de nanosecondes. Nous avons examiné l’effet de la taille de structures G-quadruplexes tétramoléculaires sur leurs propriétés photophysiques. Nous avons pu montrer que le caractère collectif des états ππ* des guanines est renforcé lorsque le nombre de tétrades augmente et qu’un transfert d'énergie ultra-rapide, en moins de 100 fs a lieu entre ces états. Nous avons ensuite mis en évidence le rôle des cations métalliques situés dans la cavité centrale des quadruplexes dans le processus de désactivation des états excités. En présence de K+, l'émission provient principalement des états délocalisée ππ* des guanines, alors qu’en présence de Na+, l’émission dominée par la contribution d’états excités à caractère de transfert de charge. Enfin, nous avons abordé l'effet de la topologie, en comparant les propriétés photophysiques des G-quadruplexes tétramoléculaires avec celles de structures formées par le repliement d’un simple brin d’ADN. Les différences observées peuvent s’expliquer par la rigidité accrue des structures simple-brins et l'orientation relative différente des tétrades qui détermine la force du couplage électronique entre les bases.

Guanine rich DNA strands have the ability to form four-stranded structures (G-quadruplexes). Their repetitive unit is the G-quartet (tetrad) where each base is connected with two others via four hydrogen bonds. These structures have a crucial role in biological aspect, as targets for anti-cancer therapies, and have great potential for applications in nanotechnology. We studied the electronic excited states of G-quadruplexes using two different techniques, fluorescence up-conversion (FU) and time-correlated single photon counting (TCSPC) , which allow probing the emissive states over six decades of time (from hundred femtoseconds to hundreds of nanoseconds). At first, we examined the effect of the size of tetramolecular G-quadruplexes on their photophysical properties. We have found that the collective behavior of Franck-Condon excited states is enhanced when the number of tetrads increases. For all systems studied, the anisotropy of the G-quadruplex, on the time scale of hundreds of femtoseconds, is lower than that of non-interacting mono-nucleotides in solution. This decrease in anisotropy is associated with an ultrafast energy transfer process between the bases. Then we demonstrated that the metal cations located in the central cavity of quadruplexes also affect their photophysical properties. In the presence of K+, emission arises mainly from delocalized ππ* states (excitons), whereas in the presence of Na+, it is dominated by the contribution of charge transfer excited states. Finally, we studied the effect of conformation, comparing the properties of tetramolecular G-quadruplexes with those formed by folding a single strand (intramolecular G-quadruplexes). We have shown that the conformation of the nano-structures influences the properties of the excited Franck-Condon states as emissive states as well. These effects are attributed to different geometric arrangement of G-tetrads in tetramolecular and intramolecular quadruplexes.