Spectroscopie d'ions froids d'intérêt biologique : des cations radicalaires de nucléobases aux anions de photodonneurs de NO

Cryogenic Ion Spectroscopy of Biologically Relevant Ions : From Nucleobase Radical Cations to NO Photodonor Anions

• Auteur / Autrice : Franco Molina
• Direction : Gilles Grégoire, Gustavo Pino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/09/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universidad nacional de Córdoba
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....) - Instituto de Investigaciones en Fisico Química (Córdoba, Argentine)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Nieuwjaer, Carolina Lorente, Liliana Beatriz Jiménez, Laura Elizabeth Moyano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Nieuwjaer, Carolina Lorente

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie quantique

Composés complexes

Photodissociation

Ions piégés

Chimie des états excités

Spectroscopie laser

Mots clés libres

Spectroscopie cryogénique des ions

Photodissociation

Complexes moléculaires

États excités

Calculs de chimie quantique

Cryogenic ion spectroscopy

Photodissociation

Molecular complexes

Excited states

Quantum chemistry calculations

Résumé

Ce travail vise à approfondir la compréhension des processus photoinduits et de la photoréactivité des chromophores UV présentant une importance biologique. Cette approche est essentielle pour élucider la manière dont la lumière interagit avec les systèmes biologiques, influençant divers processus physiologiques ainsi que des applications médicales. L’étude de ces mécanismes permet une utilisation plus précise de la lumière en médecine et une meilleure compréhension de son impact sur la santé humaine, contribuant ainsi aux progrès des traitements photothérapeutiques et à la protection contre les effets nocifs du rayonnement ultraviolet ou ionisant. En particulier, lorsque la lumière ionise les bases de l’ADN ou de l’ARN, des radicaux cations sont générés, modifiant leur réactivité. Ces espèces peuvent perturber les liaisons hydrogène entre les bases complémentaires ou induire des transformations chimiques au sein de la base nucléique (tautomérisation, formation de dimères), compromettant ainsi la stabilité de la double hélice. Par ailleurs, dans le développement de traitements thérapeutiques fondés sur la photoactivation de chromophores, tels que la thérapie photodynamique, une source lumineuse externe peut induire la photogénération de monoxyde d’azote (NO) à partir d’un photodonnateur de NO. Ce processus augmente la concentration locale de NO, renforçant ainsi les effets antitumoraux par l’activation des mécanismes responsables de la génération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS). La spectroscopie de photodissociation d’ions froids, couplée à la spectrométrie de masse, constitue un outil fiable pour élucider la structure moléculaire des ions biomoléculaires. En outre, la comparaison avec des calculs théoriques (DFT, TD-DFT ou méthodes de type coupled clusters CC2) permet une compréhension approfondie de la relation entre structure et photoréactivité. Dans la première partie de ce travail, une méthode innovante a été développée pour produire les cations radicaux des bases nucléiques par photodissociation UV de complexes formés entre la base nucléique et un ion d'argent. Les spectroscopies électronique et vibrationnelle d’ions froids ont été obtenues par chaque tautomère et isomère des cations radicalaires des bases pyrimidiques, fournissant des données expérimentales précises pour évaluer et valider les méthodes de chimie quantique appliquées aux espèces à couche ouverte. Dans la seconde partie, l’anion méta-nitrophénolate a été étudié comme système modèle de photodonneur anionique de NO. Dans un premier temps, le complexe monohydraté a été analysé comme modèle pour l’étude de la liaison hydrogène-ionique forte, les déplacements vibrationnels observés ayant été reproduits par des calculs anharmoniques. Par la suite, les anions méta-nitrophénolate isolés ainsi que leurs dérivés méthylés et aminés ont été étudiés, révélant que la substitution modifie l’excitation électronique tout en préservant le mécanisme de libération du NO. Enfin, l’identification de résonances situées en dessous et au-dessus de l’affinité électronique des anions suggère une compétition entre les processus de photofragmentation et de détachement électronique, soulignant la nécessité d’une analyse approfondie des propriétés photophysiques de ces systèmes.

This work focuses on understanding photoinduced processes and the photoreactivity of UV chromophores with biological relevance. This approach is fundamental to elucidating how light interacts with biological systems, influencing various physiological processes and medical applications. Studying these mechanisms enables a more precise use of light in medicine and a deeper understanding of its impact on human health, thereby contributing to advances in phototherapeutic treatments and protection against the harmful effects of UV or ionizing radiation. In particular, when light ionizes the bases of DNA or RNA, radical cations are generated that modify their reactivity. These species can disrupt the hydrogen bonding between complementary bases or induce chemical transformations of the nucleobase (tautomerization, dimer formation), thereby compromising the stability of the double helix. On the other hand, in the development of therapeutic treatments based on chromophore photoactivation, such as photodynamic therapy, an external light source can induce the photogeneration of nitric oxide (NO) from a NO photodonor molecule. This process increases the local concentration of NO, thereby enhancing antitumor effects by activating the mechanisms responsible for generating reactive oxygen species (ROS). Cold-ion photodissociation spectroscopy, coupled with mass spectrometry, provides a reliable means to elucidate the molecular structures of biomolecular ions. Additionally, by comparing with theoretical calculations (DFT, TD-DFT, or coupled-cluster CC2 levels), a deeper understanding of the structure-photoreactivity relationship can be achieved. In the first part of this work, a novel method was employed to photogenerate nucleobase radical cations through the UV photodissociation of complexes formed between nucleobases and silver ions. The electronic and vibrational photodissociation spectroscopy of cold ions have been recorded for each tautomer and isomer of the pyrimidine radical cations, providing precise experimental data for evaluating and validating quantum chemical methods applied to open-shell species. In the second part, the meta-nitrophenolate anion was studied as a model system for anionic NO photodonors. First, the monohydrated complex was analyzed as a model to study the ionic hydrogen bond, reproducing the vibrational shifts through anharmonic calculations. Subsequently, the bare meta-nitrophenolate and its methylated and amino derivatives were investigated, revealing that substitution modulates the electronic excitation while preserving the NO release mechanism. Finally, the identification of resonances below and above the electron affinity of the anions suggests competition between photofragmentation and electron detachment processes, highlighting the need for a comprehensive analysis of the photophysical properties of these systems.