Photoïonisation à basse énergie de quadruplexes de guanine

par Evangelos Balanikas

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Dimitra Markovitsi et de Gérard Baldacchino.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes , en partenariat avec LIDYL - Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (laboratoire) , Faculté des sciences d'Orsay (référent) et de Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....) (graduate school) .


  • Résumé

    This manuscript describes the low-energy photoionization of DNA guanine quadruplexes (G-Quadruplexes) in aqueous solution. G-Quadruplexes, which are four-stranded structures formed by guanine (G) rich strands, are involved in various biological functions and studied for applications in nanotechnology. Their photoionization generates electrons and G radicals, which are essential both in respect to the oxidative DNA damage and the development of biosensors based on photoconductivity. The objective of the thesis was to (i) quantify the generated electrons and G radicals, (ii) follow their evolution, (iii) compare their behavior with that observed for duplexes and single strands and (iv) determine the factors affecting the photoionization and the radical reaction dynamics. 16 different model structures as well as genomic DNA were studied. The main method of investigation was nanosecond transient absorption spectroscopy with 266 nm laser excitation. The photoionization quantum yields of duplexes and single strands were found to be in the range of 0.001to 0.002 while those of G-quadruplexes vary from 0.0035 to 0.015. Neither the number of DNA strands and the G tetrads composing G-Quadruplexes nor their topology (parallel/antiparallel) do not play an important role on the quantum yield. In contrast, it is greatly affected by the metal cations (Na+/K+) present in their central cavity, as well as by the nature (adenine/thymine) and the position (3' of 5') of the ending groups. In view of these findings, a complex mechanism was proposed: a small population of charge transfer states formed during the excited state relaxation undergoes charge separation. Subsequently, electron ejection occurs from the negatively charged base. For all the model systems, hydrated electrons decay with the same rate constant (0.5 µs), due to reaction with the phosphate buffer. In the case of genomic DNA, the decay is faster, indicating additional reactions of hydrated electrons with parts of this very long molecular system. G radicals in the examined systems were identified and quantified by comparing their absorption spectra with those reported in the literature for three types of monomeric radicals: the radical cation (G+)• and two deprotonated radicals (G-H1)• and (G-H2)•. Spectra of (G+)• in G-Quadruplexes were also determined by their photoionization in pH 3, where deprotonation is hindered. (G+)• to (G-H1)• deprotonation in genomic DNA is completed within 2 µs. In contrast, only (G+)• to (G-H2)• deprotonation occurs in G-quadruplexes. This process is highly anisotropic, spanning from 30 ns to over 50 µs. For some G-quadruplexes (G-H2)• to (G-H1)• tautomerization was observed on longer times. The half-lives of the total radical population in all the studied systems amounts to a few ms. * The PhD thesis was performed in the frame of the European Network “LightDyNAmics” (European Union's Horizon 2020 Research and Innovation Programme under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No 765266).

  • Titre traduit

    Low-energy photoionization of guanine quadruplexes


  • Résumé

    La thèse décrit la photoïonisation des quadruplexes de guanines (G-Quadruplexes) en solution aqueuse. Les G-Quadruplexes sont impliqués dans de nombreuses fonctions biologiques et sont étudié pour des applications en nanotechnologie. Leur photoïonisation génère des électrons et des radicaux de guanine (G) qui sont importants aussi bien dans le dommage de l'ADN que pour le développement des biocapteurs basés sur la photoconductivité. L'objectif de la thèse est de (i) quantifier les électrons and radicaux G générés, (ii) suivre leur évolution, (iii) comparer leur comportement avec celui de doubles et simples brins et (iv) déterminer les facteurs qui affectent la photoïonisation ainsi que la dynamique réactionnelle des radicaux. 16 systèmes modèles et de l'ADN génomique ont été étudiés en utilisant la spectroscopie d'absorption transitoire nanoseconde avec excitation laser à 266 nm. Les rendements quantiques d'ionisation déterminés pour des doubles et simples brins sont 0.0015, alors que ceux des G-quadruplexes varient de 0.0035 à 0.015. Le nombre des brins d'ADN et le nombre de tétrades qui composent les G-Quadruplexes ainsi que leur topologie (parallèle/antiparallèle) ne jouent pas de rôle important. Par contre, rendements quantique est très influencé par le type de cations métalliques dans leur cavité centrale (Na+/K+) ainsi que par la nature (adénine/thymine) et la position (3' of 5') des groupes terminaux. Sur la base de ces résultats, un mécanisme de photoïonisation indirecte a été proposé : une petite partie des états à transfert de charge formés pendant la relaxation électronique subit une séparation des charges ; ensuite l'éjection de l'électron s'effectue à partir de la base chargée négativement. Pour tous les systèmes modèles, les ehyd- disparaissent avec la même constante de temps de 0.5 µs, en réagissant avec le tampon phosphate. Ce déclin est plus rapide dans le cas de l'ADN génomique, indiquant des réactions complémentaires avec ce long système moléculaire. Les radicaux dans des systèmes étudiés étaient identifiés et quantifiés en comparant leur spectres d'absorption avec ceux de trois types de radicaux monomériques décrits dans la littérature: le radical cation (G+)• et deux radicaux déprotonés (G-H1)• et (G-H2)•. Des spectres des radicaux cations des G-Quadruplexes ont été également obtenus par leur photoïonisation à pH 3, où la déprotonation est limitée. Dans l'ADN génomique, une déprotonation complète vers (G-H1)• a lieu en 2 µs. Par contre, dans des G-Quadruplexes seulement une déprotonation vers (G-H2)•, qui s'effectue de 30 ns à plus 50 µs est observée. Pour certains G-quadruplexes une tautomerization (G-H2)• à (G-H1)• a été également constatée. La population totale des radicaux dans tous les systèmes étudiés a une demi-vie de quelques ms. * La thèse a été effectuée dans le cadre du réseau européen “LightDyNAmics” (European Union's Horizon 2020 Research and Innovation Programme under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No 765266).