Equipe Méthodologie en Résonance Magnétique Nucléaire


Les recherches menées par l’équipe RMN concernent en priorité les développements méthodologiques et instrumentaux aussi bien en phase liquide que solide, avec des objectifs de caractérisations structurales et dynamiques de divers matériaux. Cette recherche fondamentale, à la frontière entre chimie, physique et sciences du vivant, a pour but des applications originales dans de nombreux domaines qui vont ainsi des macromolécules biologiques à la science des matériaux en passant par le domaine pharmaceutique.

L’équipe opère et utilise les spectromètres de la plateforme RMN (spectromètres à haut champ de 300 à 600 MHz, et imageur Biospec 24/40), et s’appuie également sur des instruments propres au laboratoire pour des développements spécifiques. Cet ensemble d’appareils permet de couvrir tout le spectre des applications de la RMN, que ce soit en phase liquide ou en phase solide, mais aussi de réaliser des expériences d’imagerie par résonance magnétique (IRM), de relaxométrie ou de RQN.

Ensemble bas champ composé de minispecs à 20 MHz, 40 MHz et 60 MHz (respectivement 0,47 Tesla, 0,94 Tesla et 1,41 Tesla) et d’un relaxomètre en champs cyclé Stelar SMARTracer (5 kHz-10 MHz)

Spectromètre RMN 200 MHz

Spectromètre RQN développé au laboratoire

Relaxation de spin et diffusion translationnelle

L’équipe s’est depuis longtemps investie dans les méthodes fondées sur la relaxation de spin avec de nombreuses applications sur l’étude de la mobilité moléculaire. Nos études concernent toutes les échelles d’objet, tous les systèmes de spins, homonucléaires ou hétéronucléaires, et démarrent des très bas champs magnétiques (relaxométrie en champ cyclé) jusqu’aux champs les plus élevés utilisés actuellement par les appareils RMN haute résolution.

Un focus a été réalisé ces dernières années sur les approches par relaxométrie, à bas champ magnétique. Par exemple les méthodes en champs cyclé sont mises à profit au CRM2 pour l’étude de la dynamique de fluides confinés dans des structures poreuses. Les objets d’étude vont de systèmes à applications biologiques (bioverres pour des applications de reconstruction osseuse, microsomes de cerveaux de rats exposés à du toluène…) à des systèmes poreux naturels tels que des ciments ou des charbons.


Comparaison de la dynamique et de la structure de molécules d’eau dans deux matrices de bioverres par relaxométrie, RMN du solide et DSC (Rijba et al., 2021)

La relaxométrie en champ cyclé est également utilisée et développée au laboratoire pour l’étude de systèmes moins rigides tels que des gels (hydrogels ou organogels), ainsi que pour la caractérisation d’agents de contraste potentiels en RMN, que ce soient des agents paramagnétiques (chélates de gadolinium par exemple) ou des agents superparamagnétiques composés de nanoparticules d’oxyde de fer.

En complément des méthodes utilisant la relaxation de spin, l’équipe RMN s’intéresse également aux méthodes de diffusométrie pour sonder la dynamique translationnelle de molécules en solution. Les domaines d’études concernés sont les fluides confinés évoqué ci-dessus, mais aussi le domaine des biomolécules ou celui des matériaux.


Suivi de la fonctionnalisation enzymatique d’une gomme arabique par des méthodes de mesures de l’auto-diffusion par RMN (Vuillemin et al., 2021)

Méthodologie en RMN du solide : étude du magnétisme moléculaire local par RMN des solides paramagnétiques et méthodes adiabatiques

Une des expertises reconnues de l’équipe RMN concerne l’étude de solides paramagnétiques et l’utilisation du magnétisme nucléaire comme une sonde du magnétisme électronique. La méthode développée au laboratoire se base sur la RMN des solides appliquée à des complexes de lanthanides magnétiques et repose sur une simulation du spectre RMN par un modèle dipolaire de l’interaction hyperfine. Le modèle utilisé nous permet de paramétrer les structures cristallines et magnétiques et de simuler un spectre RMN en quelques secondes.


Détermination, connaissant la structure cristallographique du complexe, du tenseur de susceptibilité magnétique, grâce à la RMN du solide paramagnétique (Ince et al., 2022)

Un autre axe de recherche de l’équipe en méthodologie pour la RMN des solides porte sur le contrôle de la dynamique des spins grâce à des séquences d’impulsions radiofréquences (recouplage, découplage, CPMG etc). Une expertise particulière porte sur l’utilisation d’impulsions adiabatiques dans les solides pour tenter d’améliorer les méthodes existantes de découplage, recouplage et autres approches méthodologiques. Ce type de méthode montre tout son intérêt dans le cas de systèmes présentant de grandes anisotropies d’interaction et de vastes distributions de fréquences de résonances.

RMN du solide des biomolécules et chimie pour le vivant

La RMN en phase solide permet l’étude des interactions des protéines avec divers partenaires (protéines, solvant, ligands, ARN, lipides…), principalement dans le cadre de complexes moléculaires de « grande taille ».


Représentation du sous-complexe Snu13p[4-126]:Rsa1p[239-265] (PDB 4NUT) mettant en évidence les régions de Snu13p et Rsa1p en interaction (Chagot et al., 2020)

Les principaux systèmes étudiés par l’équipe sont des complexes protéiques ou des protéines membranaires. La RMN du solide et la RMN en solution sont également utilisées par les membres de l’équipe pour étudier l’encapsulation de principes actifs, par exemple la cyclocurcumine dans les lipides ou encore des enzymes dans des matériaux hybrides organique-inorganique (biocatalyseurs).

Photo-RMN

Cet axe concerne la caractérisation RMN « in-situ » de molécules et nanoparticules photoactivables. Dans ce cadre, nous développons de nouvelles méthodes expérimentales permettant l’acquisition RMN, en solution et à l’état solide, de matériaux photoactifs sous irradiation lumineuse. En effet, par l’utilisation de lampes LED couplées à des fibres optiques, il nous est possible d’irradier les échantillons RMN à l’intérieur du spectromètre. Nous pouvons ainsi comparer « in-situ » les propriétés de commutation (cinétique, rendement quantique, énergie d’activation) et structurales de différentes classes de molécules photo-commutables, en fonctions de divers paramètres tels que les types de substituants, les solvants, les longueurs d’onde d’irradiation, et la température.


Suivi RMN de la photo-isomérisation d’un photo-commutateur (Cortelazzo-Polisini et al., 2022)

Développements méthodologiques et instrumentaux en RQN

L’équipe conduit des travaux sur la Résonance Quadripolaire Nucléaire, une technique assez proche de la RMN mais qui se pratique sans champ magnétique et qui est capable de détecter les molécules azotées ou chlorées par exemple. Cette technique, qui est aussi une possible méthode de détection des explosifs (notamment ceux des mines anti-personnel) nécessite des développements théoriques, méthodologiques et instrumentaux très spécifiques, un savoir-faire que seuls quelques laboratoires possèdent.

L’activité électronique et instrumentation de l’équipe RMN conçoit et réalise des systèmes électroniques et des dispositifs expérimentaux originaux. Les systèmes développés regroupent ainsi de l’électronique analogique, numérique ou mixte pilotée par des couches logicielles et dédiée à la détection des signaux faibles, à l’acquisition des données et au traitement de signal. Ce savoir-faire a récemment permis le développement d’un nouveau spectromètre RQN numérique compact à base de FPGA de dernière génération de type Zynq AP-SoC (All programmable System On Chip).


Architecture du spectromètre RQN compact (Kachkachi)

En termes d’applications, nous nous intéressons à des études sur le polymorphisme de composés pharmaceutiques tels que le paracétamol, ou la caractérisation de composés photo-commutables en collaboration avec l’équipe CRISP.

Membres





mise à jour : 07/11/2022