Interaction du rayonnement UV avec des séquences de l’ADN riches en guanines étudiée par spectroscopie optique

par François-Alexandre Miannay

Thèse de doctorat en Chimie. Photochimie

Sous la direction de Dimitra Markovitsi.

Soutenue en 2009

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• ADN
• Spectroscopie
• Excitons

Résumé

L’objectif de ce travail est de caractériser les états excités singulets des systèmes moléculaires organisés de type ADN à séquences composées de bases azotées guanines. C’est dans cette optique que nous avons d’abord approfondi les propriétés photophysiques du monomère dGMP, puis étudié deux structures secondaires de l’ADN : les doubles hélices avec des séquences dont la concentration en guanines varie (poly(dGdC). Poly(dGdC), (dGdC)10(dGdC)10 , (dAdTdGdC)5(dAdTdGdC)5, double hélice d’ADN naturel à séquence aléatoire) ainsi qu’une structure secondaire caractéristique de l’ADN riche en dGMP, la structure quadruple brins, G-quadruplexe, formée à partir de l’oligonucléotide d(TGGGGT). Pour mener à bien nos investigations, nous nous sommes appuyé sur des techniques de spectroscopie optique, en régime stationnaire (absorption et fluorescence), et résolue en temps (étendue sur une large gamme temporelle : de 100 femtosecondes pour la méthode de génération de somme de fréquences à 100 ns par la technique de comptage de photons uniques corrélés en temps). Après avoir montré que le dGMP présente une relaxation ultrarapide depuis son état excité singulet le plus bas en énergie S1, nous présentons nos résultats sur les systèmes ADN multichromophoriques : la délocalisation des états excités Franck Condon sur plusieurs bases dans ces systèmes; un transfert d’énergie ultrarapide (mécanisme de diffusion intrabande ou conversion interne au sein de la bande excitonique) mis en évidence par le déclin de l’anisotropie de fluorescence des systèmes étudiés; l’existence d’états « noirs » à longue durée de vie (détectés par comptage de photons uniques); les voies de désexcitation non-radiative qui semblent être les chemins de relaxation privilégiés de ces systèmes; enfin pour les systèmes doubles hélices seulement : les durées de vie des états excités, associés à des transitions électroniques à force d’oscillateur élevée, dépendent fortement de la séquence et de l’organisation moléculaire.

Titre traduit

Interaction between UV light and DNA sequences rich in guanines, studied by optical spectroscopy

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Résumé

This thesis has a particular aim : to characterize the singlet excited states of organized molecular systems of DNA whose sequences are composed of guanines. In this way we have first considered the photophysical properties of the monomer dGMP, then we studied two types of DNA secondary structures : the double helices with varying guanine concentrations sequences (poly(dGdC). Poly(dGdC), (dGdC)10(dGdC)10 , (dAdTdGdC)5(dAdTdGdC)5, natural DNA double helix with randomized sequences), and also the DNA nanostructure formed by association of four oligonucleotides d(TGGGGT), the G-quadruplex. To do this work, we used optical spectroscopy techniques, steady-state one (absorption and fluorescence), and time resolved one (with time window going from 100 fs, for the upconversion technique, to 100 ns, for the time correlated single photon counting method). After we have demonstrated that dGMP has an ultrafast deactivation from his lowest singlet excited state S1, we report our results on multichromophoric DNA system : the delocalization of the Franck Condon excited states over a few bases in these systems; an energy transfer that takes place among the bases (intraband scattering among the excitonic band or internal conversion) is shown by the ultrafast anisotropy decay of the studied systems; some “dark” states with long lifetime are also detected, the non-radiative deactivation seems to be the privileged pathway for these systems relaxation; to finish, we prove that only for the double helices systems, the associated electronic transitions with high oscillator strength excited states radiative lifetime strongly depend on the sequence and on the molecular organization.