L'équipement optique qui a été utilisé pour faire la première découverte que l'ITI fonctionne en fait. Crédit :Wybren Jan Buma, Université d'Amsterdam
Une collaboration d'institutions, dont l'Université de Groningue, a développé une toute nouvelle classe de photocommutateurs moléculaires qui répondent à de nombreuses exigences considérées auparavant comme impossibles à obtenir. Les résultats ont été publiés dans Communication Nature le 3 juin.
Les photocommutateurs moléculaires présentent un intérêt particulier pour la recherche car ils constituent un moyen non invasif et localisé pour des choses telles que l'activation d'un médicament où et quand il est nécessaire. De tels commutateurs existent, mais sont loin d'être idéales car elles nécessitent une lumière ultraviolette nocive pour leur fonctionnement, qui est un spectacle-bouchon d'un point de vue clinique.
Par ailleurs, ils ne peuvent pas exclusivement être basculés d'un état à l'autre, et ne fonctionnent normalement pas dans les conditions physiologiques du corps humain. Les bandes d'absorption décrivent quelles longueurs d'onde de lumière sont nécessaires pour la commutation. Lorsque les bandes d'absorption des états « on » et « arrêt » se chevauchent, la commutation entre les deux états nécessite une lumière de même longueur d'onde, ce qui est très inefficace. Cependant, si les bandes d'absorption sont bien séparées, puis la commutation entre l'état « on » et « arrêt » peut être effectuée avec une spécificité et une efficacité élevées avec une lumière de différentes longueurs d'onde. Les commutateurs moléculaires qui répondent à de telles exigences sont donc hautement souhaitables, mais jusqu'à maintenant, personne n'a été en mesure de proposer un design approprié.
Le thioindigo et l'azobenzène sont deux motifs chimiques largement utilisés dans les commutateurs moléculaires bien qu'ils souffrent des inconvénients mentionnés précédemment. Le Dr Wiktor Szymanski du Centre médical universitaire de Groningen s'est rendu compte qu'une fusion de ces deux devrait également pouvoir fonctionner comme un photocommutateur, et, semblable au croisement, aurait très probablement des propriétés améliorées par rapport à ses "parents".
"Toutefois, les premiers résultats ont été très décevants, " dit Mark Hoorens, le doctorat étudiant à l'UMCG qui a synthétisé le composé iminothioindoxyle (ITI) et a essayé de le changer. "Nous n'avons vu aucun changement dans le spectre d'absorption lorsque nous l'avons irradié, rien ne semblait se passer. Nous avons donc perdu tout intérêt pour ce composé et avons poursuivi d'autres recherches. »
Illustration illustrant comment l'ITI est commuté entre les états. Crédits :Wiktor Szymanski, Centre médical de l'Université de Groningue.
Au Symposium international 2017 sur la photopharmacologie organisé à Groningen, le groupe a discuté de leurs résultats avec des scientifiques du groupe de photonique moléculaire de l'université d'Amsterdam. Sur la base de cette discussion, les chercheurs ont conclu qu'il pourrait être intéressant de répéter les expériences d'irradiation en utilisant les installations de l'Université d'Amsterdam, qui ont une meilleure résolution temporelle. La nouvelle expérience a produit un résultat surprenant.
"En premier, on n'en croyait pas nos yeux, " explique Mark Hoorens (UvA). " Nous avons vu apparaître une bande d'absorption complètement séparée de 100 nm au rouge de la bande d'absorption en régime permanent de l'ITI avec une durée de vie d'environ 10 à 20 millisecondes, et en premier lieu, soupçonnait même que nous recherchions une contamination dans l'échantillon. tandis que l'autre parent absorbé dans la région de la lumière visible, mais n'avait pas une bonne séparation des bandes.
Le nouveau commutateur avait le meilleur des deux. De telles propriétés n'ont jamais été observées auparavant dans un photocommutateur. Des expériences de suivi ont confirmé que l'ITI est bien l'interrupteur à lumière visible que les scientifiques recherchaient. Des expériences sur une échelle de temps femto- et picoseconde réalisées dans les laboratoires du Dr Mariangela Di Donato au Laboratoire européen de spectroscopie non linéaire ont permis d'autres études mécanistiques. Mariangela dit, « À partir de ces études, il est devenu clair que ITI bascule sur une échelle de temps ultrarapide de quelques centaines de femtosecondes, similaire à la vitesse à laquelle le pigment visuel de nos yeux est commuté lorsque la lumière tombe dessus."
Calculs quantiques
La confirmation finale a été apportée par les calculs de chimie quantique effectués par le Dr Adèle Laurent (Université de Nantes) et le Dr Miroslav Medved' (Université Palacky à Olomouc). Ces calculs ont prédit des maxima d'absorption des deux photo-isomères qui étaient très similaires à ceux observés expérimentalement, mais aussi une barrière pour revenir à la forme originale qui correspondait parfaitement à la durée de vie observée. "En premier lieu, nous avons été assez intrigués par cette gigantesque séparation de bande de 100 nm, " dit Laurent, "mais nos calculs fournissent maintenant une explication logique à cela. Ce qui est encore mieux, c'est qu'ils nous permettent de prédire comment l'ITI peut être modifié pour répondre aux exigences spécifiques de ses utilisateurs."
Mark Hoorens a maintenant synthétisé plusieurs variétés qui ont été davantage caractérisées à Amsterdam, Florence, Nantes et Olomouc. De ces études, il est devenu clair que l'ITI est un commutateur incroyablement polyvalent qui peut être utilisé dans une grande variété de conditions expérimentales, y compris, surtout, biologiques, et avec des propriétés relativement faciles à régler.
