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5 juillet 2022

Différencier plus facilement les molécules chirales

Communiqués de presse Recherche avec la lumière synchrotron Innovation santé

Une nouvelle méthode permet de mieux différencier des molécules, appelées énantiomères, chimiquement identiques mais qui sont les images-miroir l’une de l’autre. Ceci est important, entre autres, dans le cadre de la fabrication de nouveaux médicaments, car les deux formes peuvent avoir des effets complètement différents dans le corps humain. Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI, de l’EPFL et de l’Université de Genève viennent de décrire ce nouveau procédé dans la revue spécialisée Nature Photonics.

Enantiomere
A la Source de Lumière Suisse SLS du PSI, des chercheurs ont démontré avec succès qu’il est possible de différencier les énantiomères avec des rayons X ayant un front d’onde hélicoïdal. Les énantiomères sont des molécules qui sont les images miroir l’une de l’autre. En biochimie, en toxicologie et dans développement de nouveaux médicaments, la distinction et la séparation des énantiomères est primordiale.
(Illustration: Institut Paul Scherrer/Benedikt Rösner)

Certaines molécules existent sous deux formes structurellement identiques, mais en miroir l’une par rapport à l’autre, exactement comme notre main droite et notre main gauche. Ces molécules sont dites chirales et les deux formes sont appelées énantiomères. La chiralité est particulièrement importante dans le cas des molécules biologiques, car les énantiomères peuvent avoir des effets différents lors des fonctions biologiques. Par conséquent, en biochimie, en toxicologie et dans la recherche de nouveaux médicaments, il est essentiel de séparer ces molécules de sorte que, par exemple, seule la variante souhaitée soit intégrée dans un médicament. Un groupe de chercheurs du PSI, de l’EPFL et de l’Université de Genève vient de développer une nouvelle méthode qui permet de mieux différencier les énantiomères les uns des autres, et donc éventuellement de les séparer: le dichroïsme hélicoïdal dans le domaine des rayons X.

La méthode établie à ce jour pour distinguer les énantiomères est appelée le dichroïsme circulaire, abrégé DC. Elle consiste à faire passer à travers l’échantillon une lumière dotée d’une propriété particulière, la polarisation circulaire. Les énantiomères absorbent cette lumière de manière différente. Le DC est largement répandu en chimie analytique, en recherche biochimique, ainsi que dans l’industrie pharmaceutique et agroalimentaire. Cependant, ses signaux sont intrinsèquement très faibles: l’absorption de lumière polarisée circulairement par les deux énantiomères ne diffère que d’à peine 0,1%. Il existe différentes stratégies d’amplification des signaux DC, mais elles ne s’appliquent qu’à des échantillons en phase gazeuse. Or l’essentiel de la chimie et de la biochimie a lieu en solutions liquides, en particulier en milieu aqueux.

La nouvelle méthode, en revanche, utilise ce qu’on appelle le dichroïsme hélicoïdal, abrégé DH. L’effet à la base de ce phénomène est dû non à la polarisation de la lumière, mais à sa forme: le front d’onde est en hélice.

A la Source de Lumière Suisse SLS au PSI, les chercheurs ont réussi pour la première fois à montrer qu’il est également possible de différencier des énantiomères avec des rayons X hélicoïdaux. À la ligne de faisceau cSAXS de la SLS, ils l’ont démontré sur un échantillon du complexe métallique chiral fer-tris-bipyridine en poudre, synthétisé par les chercheurs de l’Université de Genève. Le signal ainsi obtenu a une amplitude de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle du DC. Le DH peut être aussi utilisé en phase liquide et remplit ainsi une des conditions pour des applications en analyse chimique.

Le point central de l’expérience a consisté à générer des rayons X ayant exactement les bonnes propriétés. Les chercheurs y sont parvenus à l’aide de lentilles de Fresnel spirales, un type particulier de lentilles de diffraction grâce auxquelles, après le passage des rayons X, ceux-ci émergent avec le front d’onde hélicoïdal requise avant d’atteindre l’échantillon.

«Avec les zones de Fresnel spirales, nous contrôlons de manière très élégante les fronts d’ondes des rayons X, les dotant ainsi d’un moment angulaire orbital. Les rayons créés de la sorte sont aussi appelés tourbillons optiques», explique Benedikt Rösner, chercheur au PSI, qui a conçu et fabriqué les lentilles de Fresnel spirales utilisées dans cette expérience.

«Le dichroïsme hélicoïdal fournit un type tout à fait nouveau d’interaction lumière-matière. Nous pouvons parfaitement l’exploiter afin de distinguer les énantiomères», complète Jérémy Rouxel, chercheur à l’EPFL et premier auteur de l’étude.

L’étude a été rendue possible grâce à un financement du Conseil européen de la recherche avec un ERC Advanced Grant DYNAMOX et du Fonds national suisse avec le Pôle de recherche national NCCR:MUST et de l’Office allemand d’échanges universitaires DAAD.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann


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L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2200 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 400 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage). (Mise à jour: mai 2021)

Contact

Dr Benedikt Rösner
Laboratoire d’optique non linéaire
Institut Paul Scherrer, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 24 54, e-mail: benedikt.roesner@psi.ch [allemand, anglais]

Publication originale

Hard X-ray helical dichroism of disordered molecular media
J. R. Rouxel, B. Rösner, D. Karpov, C. Bacellar, G. F. Mancini, F. Zinna, D. Kinschel, O. Cannelli, M. Oppermann, C. Svetina, A. Diaz, J. Lacour, C. David, M. Chergui
Nature Photonics, 4 juillet 2022 (en ligne)
DOI: 10.1038/s41566-022-01022-x

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