Simulations numériques des réponses ultra-rapides de molécules biologiques soumises à des ions légers rapides et à des impulsions UV extreme

Numerical simulation of ultrafast response of biological molecules subjected to light fast ions and XUV pulses

• Auteur / Autrice : Karwan Omar
• Direction : Aurélien De la lande
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 22/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Le Caër
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thi Phuong Mai Sève-Dinh, Mathias Rapacioli, Fabien Bruneval, Valérie Véniard, Franck Lépine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thi Phuong Mai Sève-Dinh, Mathias Rapacioli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultraviolet lointain

Particules (physique)

Transfert de charge

Rayonnements ionisants

Biomolécules

Mots clés libres

Rt-Td-Dft

Biomolécules

Rayonnement ionisant

Étape physique

Dépôt d'énergie

Migration de charge

Rt-Td-Dft

Biomolecules

Ionization radiation

Physical stage

Energy deposition

Charge migration

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions l'étape physique de l'irradiation ionisante de systèmes biomoléculaires, un processus se déroulant sur une échelle de temps allant des attosecondes à quelques femtosecondes. L'étape physique recouvre le dépôt d'énergie et les migration de charges, jetant les bases de tous les événements physico-chimiques subséquents. Nous utilisons la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Auxiliaire Dépendent du Temps en Temps Réel (RT-TD-ADFT) pour étudier le dépôt d'énergie et les réponses ultra-rapides des électrons des biomolécules exposés à des ions et à des impulsions XUV. Le Chapitre 1 présente une vue succincte des mécanismes d'endommagement des biomolécules. Nous abordons les principaux modèles théoriques de dépôt d'énergie et les approches de simulations numériques premiers principes dédiés à leur étude. Ce Chapitre décrit les méthodes théoriques utilisées dans la suite de travail.Nous explorons dans les Chapitres 2 et 3 l'impact des effets relativistes des particules chargées et des liaisons hydrogène sur le dépôt d'énergie pour un système modèle guanine-cytosine en lien hydrogène avec deux molécules d'eau. Nous montrons la nécessité d'incorporer les effets relativistes pour des protons de plus d'un mégaélectronvolt d'énergie cinétique. Nous montrons que l'effet relativiste exacerbe le dépôt d'énergie, via une modification du mécanisme d'interaction ion-électron. Nous constatons que le dépôt d'énergie diminue en présence de liaisons hydrogène. Cette influence diminue avec l'augmentation de l'énergie cinétique du proton jusqu'à 2 MeV, puis elle recommence à augmenter progressivement. Ces tendances n'avaient pas été observées précédemment dans la littérature TD-DFT. Dans le chapitre 3 nous étudions l'étape physique de l'irradiation α d'un complexe protéine/ADN. Nous adoptons une approche hybride QM/MM laquelle couple la RT-TD-ADFT et la mécanique moléculaire (MM) en champ de forces non-polarisable et polarisable. Nous montrons que l'induction électrostatique dans la partie MM a un effet négligeable sur le dépôt d'énergie mais est de nature à influencer les migrations de charges entre fragments moléculaires. Nous identifions des migrations ultra-rapides (fs) de trous dans le système protéine/ADN. Finalement, dans le but d'analyser les migrations de charges se déroulant au sein d'ensembles comportant plusieurs centaines d'atomes traités en DFT, nous proposons des outils fondés sur les matrices de corrélation. Il s'agit d'un outil puissant qui permet extraire des informations pertinentes des simulations RT-TD-ADFT sur des systèmes de grandes tailles.Le chapitre 5 porte sur les réponses ultra-rapides de l'insuline et d'un peptide à une impulsion XUV dans le cadre d'une collaboration expérimentale. Nous identifions d'abord que la simulation RT-TD-ADFT de la photo-ionisation de petites molécules comme N2 est difficile avec des fonctions de base gaussiennes standard. Cependant, elle peut être améliorée en les enrichissant d'orbitales atomiques optimisées pour le continuum. Toutefois, ces difficultés sont largement atténuées lors de la simulation de molécules plus grandes. Nous avons effectué des calculs pour l'éjection d'électrons et la création de trous sur une période de 50 fs pour les peptides. Les résultats montrent que la distribution de trous couvre toute la structure moléculaire, bien qu'il y ait des disparités marquées entre les différents acides aminés. La probabilité d'ionisation augmente en corrélation grossière avec le nombre d'électrons de valence. Au sein d'un acide aminé spécifique, l'environnement joue un rôle clé dans la détermination de sa probabilité d'ionisation. Une observation remarquable de notre étude est la susceptibilité accrue à l'ionisation des acides aminés présents sur la surface par rapport à ceux profondément intégrés dans la structure.Le manuscrit se conclue par une synthèse générale des travaux et la proposition de quelques voies de recherche futures possibles.

In this thesis, we study the physical stage of ionizing irradiation of biomolecular systems, a process taking place on a time scale ranging from attoseconds to a few femtoseconds. The physical stage covers energy deposition and charge migration, laying the foundations for all subsequent physico-chemical events. We use Real-Time Time-Dependent Auxiliary Density Functional Theory (RT-TD-ADFT) to study energy deposition and ultrafast electron responses of biomolecules exposed to ions and XUV pulses. Chapter 1 presents a brief overview of biomolecule damage mechanisms. We discuss the main theoretical models of energy deposition and first-principles numerical simulation approaches dedicated to their study. This chapter describes the theoretical methods used in the rest of the work. In Chapters 2 and 3, we explore the impact of relativistic effects of charged particles and hydrogen bonds on energy deposition for a model guanine-cytosine system in hydrogen bond with two water molecules. We show the need to incorporate relativistic effects for protons of more than one mega-electronvolt kinetic energy. We show that the relativistic effect exacerbates energy deposition, via a modification of the ion-electron interaction mechanism. We find that energy deposition decreases in the presence of hydrogen bonds. This influence diminishes with increasing proton kinetic energy up to 2 MeV, before gradually increasing again. These fluctuations had not previously been observed in the TD-DFT literature.In chapter 3 we study the physical stage of a protein/DNA complex irradiated by an α-particle. We adopt a hybrid QM/MM approach that couples RT-TD-ADFT and molecular mechanics (MM) in non-polarizable and polarizable force fields. We show that electrostatic induction in the MM part has a negligible effect on energy deposition, but is likely to influence charge migrations between molecular fragments. We identify ultra-rapid (fs) hole migrations in the protein/DNA system, occurring at the fs scale. Finally, in order to analyze charge migrations occurring within systems comprising several hundred quantum atoms, we propose tools based on correlation matrices. This is a powerful tool for extracting relevant information from RT-TD-ADFT simulations on large-scale systems.The final chapter focuses on the ultrafast response of insulin and a peptide to an XUV pulse in an experimental collaboration. We first identify that RT-TD-ADFT simulation of the photo-ionization of small molecules like N2 is difficult with standard Gaussian basis functions. However, it can be significantly improved by enriching them with continuum-optimized atomic orbitals. However, these difficulties are largely mitigated when simulating larger molecules. We have carried out calculations for electron ejection and hole creation over a period of 50 fs for peptides. The results show that the hole distribution covers the entire molecular structure, although there are marked disparities between the different amino acids. The probability of ionization increases in rough correlation with the number of valence electrons. Within a specific amino acid, the environment plays a key role in determining its ionization probability. A remarkable observation of our study is the increased susceptibility to ionization of amino acids present on the surface compared to those deeply embedded in the structure.The manuscript concludes with a general summary of the work and a proposal for possible future research avenues.