Low-energy photoionization of guanine quadruplexes

par Evangelos Balanikas

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Dimitra Markovitsi et de Gérard Baldacchino.

  • Titre traduit

    Photoïonisation à basse énergie de quadruplexes de guanine


  • Résumé

    La thèse décrit la photoïonisation à basse énergie des quadruplexes de guanine (G-Quadruplexes) en solution aqueuse. Ces structures ADN à quatre brins sont impliquées dans d’importantes fonctions biologiques et étudiées dans le domaine de la nanotechnologie. Leur photoïonisation génère des électrons et des radicaux de guanine, qui conduisent à des lésions d’ADN et sont essentiels pour le développement des biocapteurs basés sur la photoconductivité. 16 structures modèles, ainsi que de l’ADN génomique, ont été étudiées par spectroscopie d’absorption nanoseconde avec excitation à 266 nm. Les rendements quantiques de photoïonisation Φ dépendent fortement de la structure secondaire. Les Φ des G-Quadruplexes atteignent 10⁻², alors que ceux des duplexes ne dépassent pas 2x10⁻³. Ces résultats ont permis de formuler un mécanisme complexe, incluant la formation des états excités à transfert de charge et une séparation de charges, pour expliquer la photoïonisation de l’ADN à des énergies bien plus faibles que les potentiels d’ionisation verticale de ses composants. Les radicaux de guanines dans des systèmes examinés ont été identifiés et quantifiés en comparant leur spectres d’absorption avec ceux décrits dans la littérature pour les espèces monomériques : le radical cation (G⁺)• et deux radicaux déprotonés (G-H1)• et (G-H2)•. Dans l’ADN génomique, la déprotonation (G⁺)• → (G-H1)• se termine en 2 μs. Seule une déprotonation (G⁺)• → (G-H2)• est observée dans des G-Quadruplexes ; ce processus est hautement anisotrope, ayant lieu de 30 ns à au moins 50 μs. Pour certains G-quadruplexes une tautomerisation (G-H2)• → (G-H1)• a été détectée à des temps longs. Dans tous les cas, la demi-vie de la population totale de radicaux est de quelques ms.


  • Résumé

    The thesis describes the low-energy photoionization of DNA guanine quadruplexes (G-Quadruplexes) in aqueous solution. G-quadruplexes are four-stranded structures involved in important biological functions and studied for applications in nanotechnology. Their photoionization generates electrons and guanine radicals, which are precursors to DNA damage and essential for the development of photoconductivity-based biosensors. 16 different model structures, as well as genomic DNA were studied by is nanosecond transient absorption spectroscopy with 266 nm excitation. It was shown that the photoionization quantum yields Φ strongly depend on the secondary structure. The Φ values of G-Quadruplexes reach 10⁻², while those of duplexes does not exceed 2x10⁻³. On the basis of the obtained results, a complex mechanism, involving formation of excited charge transfer states and charge separation, was proposed to explain DNA photoionization at energies significantly lower than the vertical ionization potentials of its components. Guanine radicals in the examined systems were identified and quantified by comparing their absorption spectra with those reported for monomeric species: radical cations (G⁺)• and two deprotonated radicals (G-H1)• and (G-H2)•. In genomic DNA, (G⁺)• → (G-H1)• deprotonation is completed within 2 μs. In contrast, only (G⁺)• → (G-H2)• deprotonation is observed in G-Quadruplexes; this process is highly anisotropic, spanning from 30 ns to at least 50 μs. For some G-quadruplexes, (G-H2)• → (G-H1)• tautomerization was also detected on longer times. The half-lives of the total radical population in all the studied systems amounts to a few ms.

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