L'acide ribonucléique (ARN) joue un rôle clé dans les processus biochimiques qui se produisent au niveau cellulaire dans un environnement aquatique. Les mécanismes et la dynamique de l'interaction entre l'ARN et l'eau sont maintenant révélés par la spectroscopie vibrationnelle à des échelles de temps ultracourtes et analysés par une théorie approfondie.

L'acide ribonucléique (ARN) représente un constituant élémentaire des cellules biologiques. Alors que l'acide désoxyribonucléique (ADN) sert de vecteur d'information génétique, L'ARN présente une fonctionnalité biochimique beaucoup plus complexe. Cela inclut la transmission d'informations sous forme d'ARNm, Fonction catalytique médiée par l'ARN dans les ribosomes, et le codage de l'information génétique dans les virus. L'ARN est constitué d'une séquence de molécules de nucléobase organiques maintenues ensemble par un soi-disant squelette constitué de groupes phosphate et sucre. Une telle séquence peut exister sous forme de simple brin ou dans une géométrie à double hélice appariée. Les deux formes sont intégrées dans une coquille d'eau et leurs groupes phosphate et sucre sont des points d'amarrage distincts pour les molécules d'eau. La structure de la coquille d'eau fluctue sur une échelle de temps de quelques dixièmes de picoseconde. Les interactions de l'ARN et de l'eau et leur rôle pour la formation de structures d'ARN tridimensionnelles ne sont qu'insuffisamment comprises et difficilement accessibles par l'expérimentation.

Des scientifiques de l'Institut Max Born ont maintenant observé l'interaction de l'ARN avec sa coquille d'eau en temps réel. Dans leur nouvelle méthode expérimentale, les vibrations du squelette de l'ARN servent de sondes sensibles non invasives de l'influence des molécules d'eau voisines sur la structure et la dynamique de l'ARN. La spectroscopie infrarouge dite bidimensionnelle permet de cartographier l'évolution temporelle des excitations vibrationnelles et de déterminer les interactions moléculaires au sein de l'ARN et entre l'ARN et l'eau. Les résultats montrent que les molécules d'eau à la surface de l'ARN effectuent des mouvements de basculement, les soi-disant librations, dans une fraction de picoseconde alors que leur disposition spatiale locale est conservée pour une plage de temps supérieure à 10 ps. Ce comportement s'écarte fortement de celui de l'eau pure et est régi par les conditions aux limites stériques fixées par la surface de l'ARN. Les molécules d'eau individuelles relient les groupes phosphates voisins et forment une structure partiellement ordonnée qui est médiée par leur couplage aux unités de sucre.

Les molécules d'eau libratrices génèrent une force électrique par laquelle les fluctuations de l'eau sont transférées aux vibrations de l'ARN. Les différentes vibrations du squelette présentent un comportement dynamique diversifié qui est déterminé par leur environnement aquatique local et reflète son hétérogénéité. Les vibrations de l'ARN se couplent également mutuellement et échangent de l'énergie entre elles et avec la coquille d'eau. La redistribution ultrarapide qui en résulte de l'excès d'énergie est essentielle pour éviter une surchauffe locale de la structure macromoléculaire sensible. Ce scénario complexe a été analysé par des calculs théoriques détaillés et des simulations qui, entre autres résultats, a permis la première identification complète et quantitative des différentes vibrations du squelette de l'ARN. Des expériences comparatives avec l'ADN révèlent des similitudes et des différences caractéristiques entre ces deux biomolécules élémentaires, montrant un arrangement d'eau plus structuré autour de l'ARN. L'étude met en évidence le fort potentiel de la spectroscopie vibrationnelle non invasive à résolution temporelle pour démêler l'interaction de la structure et de la dynamique dans des systèmes biomoléculaires complexes sur des échelles de longueur et de temps moléculaires.