Le moment émergent de la formation de liaison, deux étapes de liaison distinctes et les mouvements vibrationnels ultérieurs ont été visualisés – ScienceDaily

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Les médicaments anticancéreux ciblés agissent en établissant un lien étroit entre les cellules cancéreuses et des cibles moléculaires spécifiques impliquées dans la croissance et la propagation du cancer. Des images détaillées de ces sites ou voies de liaison chimique peuvent fournir les informations clés nécessaires pour maximiser l'efficacité des traitements oncogènes. Cependant, les mouvements atomiques dans une molécule n'ont jamais été capturés au milieu de l'action, pas même pour une molécule extrêmement simple telle qu'une molécule triatomique, composée de seulement trois atomes.

Une équipe de recherche dirigée par IHEE Hyotcherl de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud) (professeur, Département de chimie, KAIST), en collaboration avec des scientifiques de l'Institut des sciences de la structure des matériaux de KEK (KEK IMSS, Japon), RIKEN (Japon) et Pohang Accelerator Laboratory (PAL, Corée du Sud), ont rapporté l'observation directe du moment de naissance des liaisons chimiques en suivant les positions atomiques en temps réel dans la molécule. "Nous avons finalement réussi à capturer le processus de réaction en cours de la formation de liaisons chimiques dans le trimère d'or. Les images à résolution femtoseconde ont révélé que ces événements moléculaires se sont déroulés en deux étapes distinctes, pas simultanément comme on le supposait auparavant", explique le directeur associé IHEE Hyotcherl, l'auteur correspondant de l'étude. "Les atomes dans les atomes du complexe trimère d'or restent en mouvement même après la liaison chimique est terminée. La distance entre les atomes a augmenté et diminué périodiquement, présentant la vibration moléculaire. Ces vibrations moléculaires visualisées nous ont permis de nommer le mouvement caractéristique de chaque vibrationnel observé mode." ajoute Ihee.

Les atomes se déplacent extrêmement rapidement à une échelle de femtoseconde (fs) – quadrillions (ou millionièmes de milliardième) de seconde. Son mouvement est minime au niveau de l'angström égal à un dix milliardième de mètre. Ils sont particulièrement difficiles à atteindre pendant l'état de transition où les intermédiaires de la réaction passent des réactifs aux produits en un éclair. L'équipe de recherche a rendu possible cette tâche exigeante sur le plan expérimental en utilisant la liquidographie aux rayons X femtoseconde (diffusion de solution). Cette technique expérimentale combine des techniques de photolyse laser et de diffusion de rayons X. Lorsqu'une impulsion laser frappe l'échantillon, les rayons X se diffusent et déclenchent la réaction de formation de liaison chimique dans le complexe du trimère d'or. Des impulsions de rayons X femtosecondes obtenues à partir d'une source de lumière spéciale appelée laser à électrons libres à rayons X (XFEL) ont été utilisées pour interroger le processus de formation de liaisons. Les expériences ont été réalisées dans deux installations XFEL (accélérateur linéaire de 4e génération), PAL-XFEL en Corée du Sud et SACLA au Japon, et cette étude a été menée en collaboration avec des chercheurs de KEK IMSS, Pohang Accelerator Laboratory (PAL), RIKEN et le Institut japonais de recherche sur le rayonnement synchrotron (JASRI).

Les ondes diffusées de chaque atome interfèrent les unes avec les autres et donc leurs images de diffusion des rayons X sont caractérisées par des directions de déplacement spécifiques. L'équipe de recherche de l'IBS a retracé les positions en temps réel des trois atomes d'or au fil du temps en analysant des images de diffusion de rayons X, qui sont déterminées par la structure tridimensionnelle d'une molécule. Les changements structurels dans le complexe moléculaire ont donné lieu à de multiples images de diffusion caractéristiques au fil du temps. Lorsqu'une molécule est excitée par une impulsion laser, plusieurs états quantiques vibrationnels sont simultanément excités. La superposition de plusieurs états quantiques vibrationnels excités est appelée un paquet d'onde. Les chercheurs ont suivi le paquet d'ondes en coordonnées nucléaires tridimensionnelles et ont constaté que le premier demi-cycle de liaison chimique s'est formé dans les 35 fs après photoexcitation. La seconde moitié de la réaction a suivi dans les 360 fs pour achever toute la dynamique de la réaction.

Ils ont également illustré avec précision les mouvements de vibration moléculaire à la fois temporellement et spatialement. C'est un exploit tout à fait remarquable étant donné qu'une telle vitesse ultrarapide et une minute de mouvement sont des conditions assez difficiles pour acquérir des données expérimentales précises.

Dans cette étude, l'équipe de recherche IBS a amélioré son étude de 2015 publiée par La nature. Dans l'étude précédente de 2015, la vitesse de la caméra à rayons X (résolution temporelle) était limitée à 500 fs, et la structure moléculaire avait déjà changé pour être linéaire avec deux liaisons chimiques à moins de 500 fs. Dans cette étude, les progrès de la formation de liaisons et de la transformation structurelle pliée en linéaire ont pu être observés en temps réel, grâce à l'amélioration de la résolution temporelle jusqu'à 100 fs. Ainsi, le mécanisme de formation de liaison asynchrone dans lequel deux liaisons chimiques sont formées en 35 fs et 360 fs, respectivement, et la transformation pliée en linéaire achevée en 335 fs ont été visualisés. En bref, en plus d'observer le début et la fin des réactions chimiques, ils ont signalé chaque moment du réarrangement intermédiaire et continu des configurations nucléaires avec des méthodes expérimentales et analytiques considérablement améliorées.

Ils vont pousser cette méthode de «  suivi en temps réel des positions atomiques dans une molécule et des vibrations moléculaires en utilisant la diffusion de rayons X femtoseconde '' pour révéler les mécanismes des réactions catalytiques organiques et inorganiques et des réactions impliquant des protéines dans le corps humain. "En suivant directement les vibrations moléculaires et les positions en temps réel de tous les atomes d'une molécule au milieu de la réaction, nous serons en mesure de découvrir les mécanismes de diverses réactions catalytiques organiques et inorganiques inconnues et des réactions biochimiques", note le Dr KIM Jong Goo , premier auteur de l'étude.

Source de l'histoire:

Matériaux fourni par Institut des sciences fondamentales. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.