Des chercheurs de la Ruhr-Universität Bochum ont développé une nouvelle méthode pour déterminer une valeur de pH locale à proximité d'un site spécifique d'une biomolécule. Une mesure fiable avec un pH-mètre n'est possible que dans un plus grand ensemble, ou en vrac homogène. La nouvelle procédure, qui est basé sur la spectroscopie térahertz, est décrit par l'équipe de Resolv dans le journal Angewandte Chemie Édition Internationale , publié en ligne à l'avance le 6 novembre 2020.
Les équipes de la Chaire de chimie physique II dirigée par le professeur Martina Havenith et de la Chaire de chimie théorique dirigée par le professeur Dominik Marx ont coopéré au cours des travaux. "Il existe de plus en plus de preuves que les réactions biologiques ne dépendent pas tellement des propriétés chimiques globales d'une solution mais plutôt que les conditions locales à proximité immédiate d'une enzyme sont cruciales, " dit Martina Havenith. Cela comprend, par exemple, la valeur du pH ou l'état de charge local.
"Il est important pour nous de pouvoir non seulement mesurer ces propriétés locales, mais aussi de calculer de manière prédictive, par exemple, si l'on veut optimiser les conditions de solvatation pour l'utilisation d'enzymes comme biocatalyseurs, " dit Dominik Marx.
Tests avec l'acide aminé glycine
Les scientifiques ont travaillé avec une solution de l'acide aminé glycine. Il possède deux groupes fonctionnels capables de capter ou de libérer des protons. L'acide peut donc être présent dans différents états de protonation, qui peut être modifié en changeant le pH de la solution.
Les chimistes ont examiné des solutions de glycine à l'aide de la spectroscopie térahertz (THz). Ils utilisent un rayonnement d'émission à la fréquence THz dans la solution, qui absorbe une partie du rayonnement. Les chercheurs présentent le schéma d'absorption dans une gamme de fréquences donnée sous la forme d'un spectre. À la fois, ils simulent également les spectres THz de ces solutions aqueuses pour différentes conditions de pH.
Différents spectres selon la valeur du pH
Les spectres différaient significativement en fonction de l'état de protonation de la glycine. Les deux groupes ont étudié pourquoi c'était le cas en utilisant des simulations informatiques complexes, appelées simulations de dynamique moléculaire ab initio. Cette méthode permet aux chercheurs d'attribuer certaines zones d'un spectre, appelées bandes, aux mouvements de différentes liaisons dans la molécule. De cette façon, ils ont montré comment les différents états de protonation étaient reflétés dans le spectre. Alors que la glycine déprotonée (pH élevé) ne provoque presque aucune absorption dans cette partie du spectre térahertz, la glycine protonée (pH bas) produit des bandes d'absorption clairement visibles. Le spectre d'un état intermédiaire, la glycine zwitterion (pH neutre), était entre les deux. Les chercheurs ont ainsi obtenu une sorte d'empreinte de protonation, mesuré en fonction du pH. Ils ont montré que l'intensité du spectre dans la gamme de 0 à 15 terahertz est en corrélation avec le pH.
Dans d'autres expériences, les chercheurs ont démontré que la méthode fonctionne également pour d'autres biomolécules, c'est-à-dire l'acide aminé valine et pour les petits peptides. "À l'avenir, cette découverte fondamentale nous ouvrira de nouvelles opportunités pour déterminer de manière non invasive des états de charge locaux à la surface des biomolécules, " résume Martina Havenith.
