Instantané aux rayons X : comment la lumière déforme une substance active
Une technique d'imagerie établie depuis des décennies appliquée pour la première fois à des molécules complexes
Avec l'aide du laser à rayons X le plus puissant du monde, le European XFEL, une équipe de recherche dirigée par l'université Goethe de Francfort et le centre de recherche DESY a réalisé une percée importante : En prenant l'exemple de la substance pharmaceutique active 2-thiouracil, ils ont appliqué pour la première fois une technique d'imagerie établie de longue date à des molécules complexes. Bien que le 2-thiouracile ne soit plus utilisé à des fins thérapeutiques, il fait partie d'un groupe de substances actives chimiquement similaires qui sont aujourd'hui utilisées comme immunosuppresseurs ou cytostatiques. L'étude montre comment le rayonnement UV déforme le 2-thiouracile, le rendant dangereusement réactif.
Le microscope réactionnel COLTRIMS de l'instrument SQS a été utilisé pour analyser les changements structurels de la molécule de 2-thiouracile au XFEL européen.
European XFEL
De nombreuses molécules importantes sur le plan biologique changent de forme lorsqu'elles sont stimulées par les rayons UV. Bien que cette propriété soit également présente dans certains médicaments, elle n'est pas encore bien comprise. Grâce à une technique innovante, une équipe internationale composée de chercheurs de l'université Goethe de Francfort, du XFEL européen de Schenefeld et du Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY de Hambourg a élucidé ce processus ultrarapide et l'a rendu visible au ralenti, à l'aide de la lumière des rayons X. Cette méthode ouvre la voie à de nouveaux moyens d'étudier les effets des rayons UV sur la santé humaine. Cette méthode ouvre la voie à de nouvelles méthodes d'analyse de nombreuses autres molécules.
"Nous avons étudié la molécule 2-thiouracile, qui appartient à un groupe de substances pharmaceutiquement actives basées sur certains éléments constitutifs de l'ADN, les nucléobases", explique le dernier auteur de l'étude, Markus Gühr, chef du laser à électrons libres FLASH de DESY et professeur de chimie à l'université de Hambourg. Le 2-thiouracile et les substances actives qui lui sont chimiquement apparentées possèdent un atome de soufre, ce qui confère à ces molécules des propriétés inhabituelles et importantes sur le plan médical. "Une autre particularité est que ces molécules deviennent dangereusement réactives lorsqu'elles sont exposées aux rayons UV. Des études indiquent un risque accru de cancer de la peau dû à cet effet.
Pour mieux comprendre ce qui se passe au cours de ces processus, l'équipe de recherche a utilisé une méthode déjà bien établie, qu'elle a portée à un niveau supérieur en appliquant les possibilités techniques disponibles aujourd'hui. "L'imagerie des explosions de Coulomb consiste à irradier une molécule avec des impulsions intenses de rayons X, qui éliminent les électrons", explique Till Jahnke, professeur de physique atomique et moléculaire expérimentale à l'université Goethe et premier auteur de l'étude. "La molécule se charge alors positivement et devient instable, de sorte qu'elle est déchirée en quelques fractions de seconde. En suivant la direction dans laquelle les différents fragments de la molécule - les atomes - s'envolent, il est possible d'obtenir des informations sur la structure de la molécule.
Jusqu'à présent, l'imagerie des explosions de Coulomb n'avait donné des résultats utiles que pour des molécules très simples. À l'aide d'un dispositif expérimental spécialement mis au point à l'université Goethe, l'équipe de recherche a combiné cette technique avec le laser à rayons X le plus puissant du monde, le XFEL européen, en utilisant l'instrument scientifique SQS ("Small Quantum Systems") d'EuXFEL. "Cette expérience est une innovation technique à bien des égards et constitue un élargissement important des possibilités expérimentales offertes par l'instrument SQS. Pour la première fois, il est possible d'utiliser ces techniques d'imagerie sur une molécule d'intérêt biologique et médical, et pas seulement pour la recherche en physique fondamentale", déclare Michael Meyer, responsable de l'instrument SQS, à propos de cette expérience réussie.
Les impulsions de rayons X extrêmement puissantes de l'European XFEL ont permis de fragmenter cette molécule et donc d'analyser sa structure. Les chercheurs ont envoyé les molécules dans le faisceau laser de rayons X à l'aide d'une fine buse de gaz, ce qui signifie que seules des molécules uniques et isolées sont irradiées à la fois. Une impulsion UV supplémentaire, irradiée peu avant l'impulsion de rayons X, a été utilisée pour exciter les molécules.
"En variant l'intervalle de temps entre les deux impulsions, il est possible d'obtenir une sorte de film au ralenti de ces processus, qui se déroulent à une vitesse étonnante en l'espace de 100 à 1000 femtosecondes, c'est-à-dire moins d'un millionième de millionième de seconde", explique M. Jahnke. À la fin du processus, un détecteur sophistiqué a enregistré les points et les temps d'impact des différents atomes de 2-thiouracile.
L'expérience a permis de faire deux découvertes importantes, la première concernant le 2-thiouracile : Le rayonnement UV provoque la courbure de cette molécule, par ailleurs plate, ce qui entraîne la protrusion de l'atome de soufre. Cet état est stable pendant une période relativement longue ; il fait en sorte que la molécule devienne très réactive et puisse provoquer un cancer de la peau, par exemple. "Il s'agit également d'une différence significative par rapport aux nucléobases ordinaires, dont la structure est très similaire, mais qui ne possèdent pas d'atome de soufre", explique M. Gühr. "Au lieu de cela, elles disposent d'un mécanisme pour traiter le rayonnement UV et le convertir en chaleur inoffensive par le biais de divers états d'excitation et d'oscillation. Dans le cas du 2-thiouracile, l'atome de soufre empêche cette conversion.
"La deuxième constatation est liée à la technique expérimentale elle-même", explique M. Jahnke. "Comme nous l'avons vu, il n'est pas nécessaire de suivre tous les atomes par le détecteur pour reconstruire la molécule et ses changements structurels. Dans ce cas, il nous suffisait de mesurer les atomes de soufre et d'oxygène ainsi que les quatre noyaux d'hydrogène, et nous pouvions ignorer les six atomes de carbone." Cette découverte simplifiera considérablement les mesures lors de futures recherches sur des molécules encore plus complexes et illustre clairement les vastes possibilités de cette méthode innovante.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Till Jahnke, Sebastian Mai, Surjendu Bhattacharyya, Keyu Chen, Rebecca Boll, Maria Elena Castellani, Simon Dold, Ulrike Frühling, Alice E. Green, Markus Ilchen, ... Anbu Selvam Venkatachalam, Artem Rudenko, Daniel Rolles, Michael Meyer, Heide Ibrahim, Markus Gühr; "Direct observation of ultrafast symmetry reduction during internal conversion of 2-thiouracil using Coulomb explosion imaging"; Nature Communications, Volume 16, 2025-2-28
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