Etudes théoriques des propriétés optiques linéaires et non-linéaires des biomolécules.

Theoretical studies of linear and non-linear optical properties of biomolecules

• Auteur / Autrice : Andrea Bonvicini
• Direction : Laurent Joubert, Vincent Tognetti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 24/10/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale normande de chimie (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie organique, bioorganique : réactivité et analyse (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime ; 2000-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ilaria Ciofini, Elise Dumont, Marc Baaden, Xavier Assfeld, Pierre-Yves Renard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ilaria Ciofini, Elise Dumont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cholestérol

Spectroscopie de fluorescence

Spectroscopie d'absorption

Propriétés optiques

Biomolécules

Mots clés libres

Cholestérol

Analogues cholestérol

TD-DFT

CASPT2

QM/MM

Intégration polarisable

Fluorescence

Absorption à deux photons

Absorption à trois photons

Spectroscopie linéaire

Spectroscopie non-linéaire

Dichroïsme circulaire

Coudes-β

Cholesterol

Cholesterol analogues

TD-DFT

CASPT2

QM/MM

Polarizable embedding

Fluorescence

Two-photon absorption

Three-photon absorption

Linear spectroscopy

Non-linear spectroscopy

Circular dichroism

Βeta-turns

Résumé

Dans cette thèse, les propriétés optiques de biomolécules importantes ont été étudiées en utilisant une approche théorique et, dans un cas, aussi expérimentale. La Théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la timedependent-DFT (TD-DFT) sont les principales méthodes de chimie quantique utilisées dans cette thèse. Plusieurs spectroscopies ont été étudiées (au niveau théorique et, dans certains cas, également au niveau expérimental) : absorption électronique linéaire (absorption à un photon, OPA) et non-linéaire (absorption à deux ou trois photons, TPA et 3PA), dichroïsme circulaire électronique (DCE) et spectroscopie de fluorescence. Les effets de l’environnement, particulièrement importants dans des systèmes biologiques, ont été pris en compte, pour les propriétés de l’état fondamental et des états excités en utilisant une méthode multi-échelles QM/MM appelée Polarizable Embedding (PE). L’échantillonnage des conformations a été pris en compte avec des simulations de dynamique moléculaire (MD) qui sont basées sur la mécanique classique. Deux thématiques ont été étudiées dans cette thèse : le cholestérol et le design in silico de ses analogues fluorescents ainsi que la caractérisation des coudes de type β dans différentes conformations grâce à la simulation des spectres DCE. La simulation de plus d’une spectroscopie a été importante dans l’étude des états excités du cholestérol dans des solutions organiques. Le design in silico a suggéré un nouveau stérol-polyénique (P-stérol) qui montre despropriétés optiques améliorées pour le mécanisme d’excitation à trois photons par rapport au déhydroergostérol (DHE), une sonde du cholestérol déjà très utilisée. Ce nouveau P-stérol a été suggéré pour la synthèse. L’étude des spectres de DCE des coudes β en différentes conformations a mené une double conclusion : même si deux allures de DCE pour les conformations des coudes β étudiées (4) ont été trouvées (dans la majorité des cas), la spectroscopie de DCE doit toujours être associée à d’autres techniques spectroscopiques dans la caractérisation en solution des coudes β.

In this thesis, the optical properties of important biomolecules were studied using a theoretical approach and, in one case, also an experimental one. Density Functional Theory (DFT) and time-dependent-DFT (TD-DFT), were the principal quantum chemical methods adopted in this thesis.Various spectroscopies were studied (theoretically and, in some cases, also experimentally) : linear (one-photon, OPA) and non-linear (two- and three-photon, TPA and 3PA) electronic absorption, electronic circular dichroism (ECD) and fluorescence spectroscopy. The environment effects, which are particularly important in biological systems, were taken into account, for both ground and excited states properties, using a multiscale QM/MM method called Polarizable Embedding (PE). The sampling of conformations was addressed by Molecular Dynamic (MD) simulations based on classical mechanics. Two topics were studied in this thesis: cholesterol and the in-silico design of its fluorescent analogues, and the characterization of β-turns in different conformations by simulations of their ECD spectra in aqueous solutions. The simulation of more than one spectroscopy resulted to be important when studying the electronic excited states of cholesterol in organic solutions. The in-silico design study suggested a novel polyene-sterol (P-sterol) which shows improved optical properties for the three-photon excitation mechanism with respect to dehydroergosterol (DHE), an already widely used cholesterol probe. This new P-sterol was thus suggested for synthesis. The achievement from the study of ECD spectra for different β-turn conformations is two-fold: even if two ECD patterns for the β-turn conformations studied (4) were found (in most of cases), ECD spectroscopy should be always associated with other spectroscopic techniques when trying to characterize the β-turn conformations in solutions.