Measuring nanometer-scale distances by high-field pulsed electron-electron double resonance using MnII spin labels

par Paul Demay-Drouhard

Thèse de doctorat en Chimie Moléculaire

Sous la direction de Hélène Bertrand et de Clotilde Policar.

Soutenue le 22-10-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Chimie moléculaire de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Laboratoire des biomolécules (laboratoire) .

Le jury était composé de Marcel Mayor, Eva Toth, Thomas Prisner, Bernold Hasenknopf.

  • Titre traduit

    Mesure de distances nanométriques entre deux complexes de manganèse par PELDOR (Pulsed Electron-Electron Double Resonance) à haut champ


  • Résumé

    Au cours de ce travail, une série de plateformes constituées d'un espaceur central connecté à deux complexes de MnII à haut spin a été synthétisée. De nombreux ligands ont été étudiés et greffés sur un ensemble d'espaceurs de longueur variant entre 1,5 et 5,5 nm. La distance Mn-Mn a été mesurée avec succès par résonance paramagnétique électronique (RPE) impulsionnelle à haut champ en utilisant la méthode PELDOR (Pulsed Electron-Electron Double Resonance). L'emploi de complexes de MnII avec de faibles valeurs d'éclatement en champ nul (ECN) a permis d'améliorer la sensibilité de cette méthode. Pour les plateformes constituées d'un espaceur polyproline, un bon accord a été observé entre la distribution de la distance Mn-Mn obtenue par PELDOR et par dynamique moléculaire, mais des composantes plus courtes dans la distribution ont été détectées pour certains paramètres expérimentaux. Ces observations ont été rationalisées en tenant compte du terme pseudo-séculaire de l'Hamiltonien dipolaire, non négligeable pour les systèmes étudiés où les spins observés et détectés sont similaires. Lorsqu'un espaceur rigide est employé, l'interaction pseudo-séculaire est bien plus marquée, ce qui se traduit par une distribution de distances plus large que prévu par la dynamique moléculaire. L'étude de nouveaux centres paramagnétiques pour la méthode PELDOR comme les radicaux trityl persistants a également été entreprise. Le tenseur g de ces radicaux a été déterminé avec précision par RPE à haut champ en utilisant MnII comme référence. Des calculs de DFT (Density Functional Theory) ont été effectués pour comprendre la relation entre la structure et le spectre RPE de ces radicaux trityl.


  • Résumé

    In this work, the synthesis of a set of platforms that incorporate a central linker of varying length connected to two high-spin MnII complexes has been performed. Several ligands were screened and efficient synthetic methodologies were developed to graft them on various spacers covering the 1.5 – 5.5 nm range. The Mn-Mn distance has been successfully measured using high-field pulsed electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy, more precisely pulsed electron-electron double resonance (PELDOR). We showed that the use of MnII complexes with low zero-field splitting (ZFS) parameters led to an improved sensitivity. For flexible polyproline-based platforms, distances and distribution profiles obtained with PELDOR were in good agreement with molecular dynamics (MD) estimations, but additional features in the distance distributions could be observed under specific conditions. These finding were rationalized by taking into account the pseudo-secular term of the dipolar Hamiltonian, which was found to be non-negligible for the studied platforms, where pumped and detected spins are very similar. When the linker was rigid, the influence of the pseudo-secular interaction was much more prominent, leading to distance profiles with a higher width than predicted by MD calculations. Other emergent spin labels for pulsed EPR-based distance measurements such as persistent substituted trityl radicals were studied and their g-tensor was accurately measured using high-field EPR with MnII as an internal reference. Density functional theory (DFT) calculations were performed to understand the relationship between the structure and the EPR properties of the studied trityl radicals.

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