Les techniques neutroniques sont bonnes pour l'étude des atomes légers comme l'hydrogène, idéales pour les molécules biologiques qui en contiennent un grand nombre. Les neutrons sont particulièrement sensibles à la substitution isotopique de l'hydrogène (1H) par le deutérium (2H) et cela permet d'utiliser des techniques de contraste pour étudier les molécules en détail. Pour ça, les utilisateurs doivent préparer des versions deutérées des molécules biologiques qu'ils souhaitent étudier. Cependant, ces molécules per-deutérées sont rarement disponibles auprès de fournisseurs commerciaux car leur marché est de valeur limitée. Ici, SINE2020 vise à combler le vide.

La tâche 5.2 du lot de travaux Deutération chimique consiste à mettre en place des procédures d'extraction, purification et analyse de petites biomolécules deutérées. Ces molécules seront ensuite mises à disposition des utilisateurs des techniques neutroniques et via les partenaires de la plateforme DEUNET. Les principales biomolécules impliquées sont les phospholipides, les stérols (par exemple le cholestérol) et les sphingolipides, tous types de molécules que l'on peut trouver dans les membranes biologiques et qui ont donc d'importantes applications dans le domaine pharmaceutique. Les lipides ont aussi des rôles dans les cosmétiques, secteurs de l'alimentation et des nanotechnologies, de sorte que la capacité de les étudier à l'aide de neutrons serait inestimable pour de nombreux chercheurs et entreprises industrielles.

Krishna Batchu, avec Giovanna Fragneto, à l'ILL mène les recherches pour SINE2020. Les travaux se sont concentrés sur divers phospholipides qui comprennent principalement la phosphatidyléthanolamine (PE), la phosphatidylcholine (PC) et la phosphatidylsérine (PS). Ils sont préparés à l'aide de cultures cellulaires de la souche de levure Pichia pastoris car elle fonctionne bien pour l'extraction des lipides et pousse avec succès dans des milieux deutérés.

Les phospholipides sont des molécules amphipathiques constituées d'un groupe de tête qui aime l'eau et de deux « jambes » qui détestent l'eau. Les "jambes" sont des chaînes d'atomes de carbone attachés à de l'hydrogène (ou des atomes de deutérium). Leurs compositions dans les membranes cellulaires sont extrêmement complexes avec des membranes comprenant typiquement plusieurs milliers d'espèces moléculaires chimiquement distinctes de lipides. Les chaînes à l'intérieur peuvent varier en longueur, généralement entre 6 et 24 atomes de carbone, et contiennent entre 0 et 12 doubles liaisons entre les atomes de carbone, ce que l'on appelle le niveau de saturation. Les plus doubles liaisons, plus la chaîne est insaturée.

L'homéostasie des phospholipides dans un système biologique est maintenue via trois processus cellulaires clés :1) Biosynthèse 2) Remodelage et 3) Dégradation. Dans les cellules de levure (dans la culture) existe une machinerie moléculaire dédiée au métabolisme des acides gras provoquant à la fois l'allongement et l'insaturation de la chaîne, catalysées respectivement par des élongases et des désaturases, pendant le processus de fabrication. Une fois biosynthétisé, leur incorporation dans divers phospholipides est catalysée par un certain nombre d'acyltransférases conduisant ainsi à l'existence d'un répertoire plus large d'espèces moléculaires individuelles. Le défi est qu'avec autant de variables, le nombre de types de phospholipides produits est vaste.

Une partie du projet a étudié comment les conditions de croissance affectent le type de lipides produits. Aucune différence significative n'a été trouvée qui suggère que le temps de récolte affecte le profil lipidique, mais il y a une certaine indication que la source de carbone a un effet et qu'une plus grande insaturation se produit si la croissance se produit à des températures plus basses.

Une fois qu'une culture cellulaire s'est développée, les lipides doivent être extraits, séparés et purifiés. Ceci a été réalisé, pour les PC hydrogénés et deutérés, Molécules PS et PE, utilisant un procédé en deux étapes :une extraction en phase solide suivie d'une purification via une colonne en phase normale couplée à un système HPLC. Des versions hydrogénées ont été préparées afin de les comparer avec les espèces deutérées et pour tester initialement les procédés afin d'éviter de gaspiller du deutérium coûteux.

Maintenant, le défi consiste à purifier les espèces moléculaires individuelles, les identifier et les analyser à l'aide d'une approche spectrométrique de masse. Le but ultime est de documenter soigneusement toutes les procédures et protocoles de production de ces biomolécules deutérées pour les futurs utilisateurs.