Résonance magnétique nucléaire à deux-champs : spectroscopie et relaxation

Two-field nuclear magnetic resonance : spectroscopy and relaxation

• Auteur / Autrice : Samuel Cousin
• Direction : Fabien Ferrage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique et Chimie Analytique
• Date : Soutenance le 22/09/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des biomolécules (Paris ; 2009-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul Schanda, Carine Van Heijenoort, Jean-Nicolas Dumez, Christian Bonhomme
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christina Redfield, Eriks Kupce

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance magnétique nucléaire

Relaxation (physique nucléaire)

Métathèse (chimie)

Mots clés libres

Rmn

Dynamique des protéines

RMN à deux champs

Relaxométrie

Chaine latérale

Relaxation spins nucléaires

Two-field NMR

Protein dynamics

Side-chains

Résumé

Cette thèse traite de la RMN en phase liquide à champs multiples, pour la détermination de la structure et de la dynamique de petites molécules et de protéines. La dynamique ps-ns des chaînes latérales de la protéine ubiquitine a été étudiée par la relaxation du 13C des groupes méthyles δ1 des isoleucines, marqués sélectivement. Les vitesses de relaxation mesurées à plusieurs hauts champs magnétiques et les vitesses de relaxation longitudinale de 0.29 T à 9 T obtenues par relaxométrie haute résolution ont été analysées à l'aide du programme ICARUS, adapté à l’occasion pour les groupes méthyle. La matrice de relaxation a été calculée par un programme inédit, nommé RedKite. Un modèle de fonction de densité spectrale a été proposé pour prendre en compte les mouvements complexes des groupes méthyles. Nous avons ainsi pu accéder à une description de la dynamique des groupes méthyle sur trois ordres de grandeur d’échelles de temps. La spectroscopie RMN à deux champs magnétiques a été développée en collaboration avec Bruker. Le spectromètre à deux champs permet le contrôle des spins dans deux centres magnétiques avec une homogénéité suffisante et le transfert rapide de l’échantillon entre ces deux centres. Grâce à l'utilisation de cohérences à zéro-quantum, nous avons mesuré des spectres de corrélation homo- et hétéronucléaires à haute résolution dans lesquels les deux dimensions sont obtenues à deux champs très différents. Cette approche a été utilisée pour réduire considérablement la contribution de l’échange chimique à la relaxation transverse, permettant l’observation des signaux de noyaux en échange chimique invisibles à haut champ.

We present the development of multiple-field liquid-state NMR spectroscopy for the determination of the structure and dynamics of small molecules and proteins. Dynamics of proteins side-chains in the pico- to nanosecond range have been studied in the protein ubiquitin, by measuring the relaxation of carbon-13 nuclei in isoleucine-δ1 methyl groups, with site-specific isotope labelling. High-field relaxation rates and longitudinal relaxation rates obtained using high-resolution relaxometry have been analysed using a new version of the program ICARUS, adapted for methyl groups. The relaxation matrix has been calculated with a homemade program called RedKite. Models of spectral density function have been proposed to account for all motions of methyl groups. This unprecedented dataset allows for the description of motions in methyl groups over 3 orders of magnitudes of correlation times. Two-field NMR has been developed in collaboration with Bruker. The two-field NMR spectrometer allows for the control of nuclear spins in two magnetic centres with vastly different magnetic fields, coupled with a sample shuttle. Using zero-quantum coherences, homo and heteronuclear two-field high-resolution spectra have been obtained, where the two dimensions are acquired at very different magnetic fields. Such pulse sequences have been used to reduce the contribution of chemical exchange to transverse relaxation, even when this exchange makes signals invisible at high field. The reduced bandwidth of signals at low field has also been used to perform efficient isotropic mixing in a two-field TOCSY experiment. Correlations have been observed for carbon-13 signals separated by more than 150 ppm.