Ionisation et fragmentation de biomolécules sélectionnées en masse induites par impacts d’ions et photo-absorption

Ionization and fragmentation of mass-selected biomolecules induced by ion-impact and photo-absorption

• Auteur / Autrice : Lucas Schwob
• Direction : Lamri Adoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Normandie Université (2015-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lamri Adoui, Philippe Maître, Bernadette Farizon-Mazuy, Anne Zehnacker-Rentien, Alexandre Giuliani, Richard Bredy, Alain Mery, Jean-Christophe Poully
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Maître, Bernadette Farizon-Mazuy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collagène

Spectrométrie de masse avec ionisation électrospray

Photoionisation

Photoabsorption

Interactions ion-molécule

Biomolécules

Rayonnements ionisants

Spectrométrie de masse à temps de vol

Résumé

Cette thèse a pour sujet l'étude de processus physico-chimiques fondamentaux dans des systèmes biomoléculaires isolés induits par interaction avec des rayonnements ionisants. La première partie concerne le développement et la caractérisation du dispositif PIBALE (Plateforme d'Irradiation de Biomolécules et d'Agrégats Libres et Environnés). L'objectif de cet instrument est d’étudier l'ionisation et la fragmentation de systèmes moléculaires d’intérêt biologique par collision avec des ions atomiques. Les biomolécules sont produites par une source à électronébulisation, sélectionnées selon leur rapport masse-sur-charge, accumulées dans un piège à ions puis extraites vers la zone de collision. Les fragments cationiques produits lors de l'interaction avec le faisceau d'ions atomiques sont analysés par spectrométrie de masse à temps de vol. Une détection multi-coïncidence permettra de décrire la cinématique de fragmentation. La seconde partie traite de l'étude en phase gazeuse d'une séquence peptidique du collagène, la protéine structurale la plus abondante dans le corps humain, ainsi que d'un complexe non-covalent modèle de la triple hélice de collagène. Les expériences de photo-absorption, de l'UV aux rayons X, ont montré que plusieurs orbitales moléculaires peuvent être sondées par un seul photon et qu’une transition progressive de l'excitation vers l'ionisation se produit. Au-delà du seuil d'ionisation des peptides, l'excédent d'énergie est redistribué dans les degrés de liberté internes ro-vibrationnels et induit une fragmentation inter-, puis intramoléculaire. De plus, des voies de fragmentation spécifiques au collagène ont été mises en évidence.

This work aims at studying fundamental physical and chemical processes induced by ionizing radiation on isolated biomolecules. The first part is devoted to the development and characterization of the experimental set-up PIBALE (Plateforme d'Irradiation de Biomolécules et d'Agrégats Libres et Environnés). The goal of this apparatus is to analyze ion-induced ionization and fragmentation of biologically relevant molecular systems. The biomolecules are produced by means of an electrospray ionization source, mass-over-charge selected, bunched in an ion trap and subsequently extracted to the collision zone. Fragment cations produced during the interaction with the atomic ion beam are analyzed by time-of-flight mass spectrometry. Multi-coincidence detection of the fragments will allow describing the fragmentation kinematics. The second part of this thesis is focused on the gas phase study of a collagen peptide, collagen being the most abundant structural protein in the human body, as well as a hydrogen-bonded collagen triple-helix model. Photo-absorption experiments, from UV to soft X-rays, show that several molecular orbitals can be probed with a single photon and that a smooth transition from excitation to ionization occurs. Above the ionization threshold, the excess energy is distributed into the internal ro-vibrational degrees of freedom and induces inter- followed by intra-molecular dissociation. Thus, photon irradiation could lead to collagen denaturation by the loss of its triple-helix structure. Moreover, collagen-specific fragmentation channels have been found to be triggered by photon absorption.