Les protéines fluorescentes, comme la GFP (green fluorescent protein), sont des protéines naturellement fluorescentes qui sont utilisées pour leur rôle de marqueur, permettant de localiser des protéines dans les cellules et d'en suivre les déplacements. De nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées ces dix dernières années sur les protéines fluorescentes. De là, se forge une compréhension essentiellement qualitative du rôle de la protéine vis-à-vis de l'obtention ou non d'une émission radiative : il apparaît que la protéine permet la fluorescence en bloquant les processus qui la désactivent ; ces processus de désactivation sont très rapides et efficaces (à l'échelle de la picoseconde) dans le cas du chromophore seul, et ils sont bien identifiés comme étant des torsions autour des liaisons intercycles (tau et phi). Dans la protéine, la sensibilité des temps de vie de fluorescence à des mutations proches ou non du chromophore, à des modifications de pH ou de température laisse supposer un contrôle de la dynamique du chromophore par différents paramètres, sans qu'ils soient pour autant identifiés et mis en relation.Une étude de la dynamique de la protéine permettrait de faire la lumière sur les mécanismes responsables de ces phénomènes photophysiques pour lesquels une analyse structurale ne suffit pas. Cependant l'étude de la dynamique est limitée par la taille du système (>30 000 atomes), par l'échelle de temps des phénomènes photophysiques considérés (dizaine de nanosecondes) et par le fait que les deux torsions tau et phi sont fortement couplées dans l'état excité du chromophore. Ces trois facteurs excluent les méthodes de dynamique existantes aujourd'hui ; dynamique quantique (AIMD), dynamique mixte classique-quantique (QM/MD) et dynamique moléculaire classique (MD).Nous avons surmonté le problème par la modélisation de la surface d'énergie potentielle de torsion du chromophore à l'état excité basée sur des calculs quantiques de haute précision, par une interpolation des valeurs obtenues par une expression analytique appropriée en fonction des angles de torsion tau et phi et avec une précision suffisante pour reproduire des barrières de l'ordre de la kcal/mol, et enfin, par l'implémentation de cette expression analytique dans le programme parallèle AMBER. Une deuxième difficulté théorique concerne la simulation et l'analyse statistique d'événements peu fréquents à l'échelle de la nanoseconde, et dont on ne connait pas le chemin de réaction, ici les déformations de la protéine et du chromophore conduisant aux géométries favorables à la conversion interne. Grâce à ces développements et aux simulations qu'ils ont permises, nous avons réalisé la première modélisation de la désactivation non-radiative par conversion interne à l'échelle de la nanoseconde dans trois protéines fluorescentes différentes. L'analyse des dynamiques moléculaires classiques nous donne une évaluation quantitative des temps de vie de l'extinction de fluorescence, en accord avec les données expérimentales. Par ailleurs elle nous a permis d'identifier les mouvements moléculaires concertés de la protéine et du chromophore conduisant à cette extinction. De ces résultats, émerge une représentation plus complète du mécanisme qui libère la torsion du chromophore ou qui la déclenche : il peut venir d'un mouvement spécifique de la protéine, qui se produit à l'échelle de la nanoseconde, ou bien de plusieurs mouvements spécifiques, plus fréquents (rupture de liaisons hydrogène, rotation de chaînes latérales, dynamique d'agrégats d'eau), mais qui coïncident seulement à l'échelle de la nanoseconde. Ces mouvements spécifiques n'ont pas un coût énergétique important mais la nécessité de leur coïncidence crée un délai de l'ordre de quelques nanosecondes alors que dans le vide la torsion se produit en quelques picosecondes. Dans le cas des protéines étudiées, on a identifié en grande partie les mécanismes et les acides aminés qui sont impliqués.

Dans ce travail, trois types de lésions des bases de l'ADN ont été étudiés d'un point de vue théorique à l'aide de méthodes de chimie quantique basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité : la désamination spontanée de la cytosine et de ses dérivés, la formation de lésions tandem induites par des radicaux hydroxyles en milieu anaérobie et la formation de dimères de bases pyrimidiques suite à une exposition à un rayonnement ultraviolet. L'utilisation complémentaire de méthodes quantitatives statiques permettant d'explorer en partie les surfaces d'énergie potentielle associées à une réaction chimique et de la « DFT conceptuelle » ont permis d'obtenir des renseignements quant aux mécanismes réactionnels mis en jeu et de rationaliser des différences de réactivité entre bases nucléiques vis-à-vis de la formation d'un même type de lésion.<br /> Parallèlement à ces études, une réflexion a été menée concernant le concept de mécanisme concerté asynchrone, en particulier en termes de sens physique de l'état de transition, de respect du principe de dureté maximum, et de détermination du nombre de processus primitifs impliqués. Enfin, un nouvel indice de réactivité locale a été développé, pertinent pour décrire la réactivité de systèmes moléculaires dans un état excité.

Les radiations peuvent endommager notre environnement biologique mais elles peuvent aussi être bienfaisantes si elles sont contrôlées. L'action initiale des radiations à l'échelle microscopique consiste en une excitation électronique dans une molécule. L'observation de la redistribution de l'énergie dans l'environnement de cette molécule excitée est primordiale à la compréhension et à la description de l'effet des rayonnements dans les systèmes biomoléculaires. Les agrégats de molécules isolés en phase gazeuse constituent des systèmes modèles prometteurs pour étudier les interactions entre molécules sous irradiation. La première partie de ce travail décrit la construction et la validation d'une ligne de faisceau permettant la production de paquets d'agrégats moléculaires froid injectables dans l'anneau de stockage RICE à RIKEN. La ligne de faisceau est composée d'une source electrospray, d'un filtre en masse quadripolaire, de guides d'ions d'un tube d'accélération, la pièce centrale étant un piège à ions cryogénique refroidi à 4 K. Le paquet d'ions froids, dont les ions ont été sélectionnés en masse et accélérés jusqu'à 20 keV, a été sondé avec un laser. La ligne a été validée par la mesure d'un spectre d'action du bleu de méthylène. La seconde partie de ce travail s'appuie sur les expériences réalisées auprès du dispositif d'irradiation d'agrégats moléculaires (DIAM-IPNL). La méthode COINTOF-VMI permet la mesure de la distribution de vitesse des molécules d'eau évaporées à partir d'un agrégat après collision à haute vitesse avec un atome d'argon. Les distributions de vitesse mesurées pour des agrégats mixtes pyridine protonée et eau présentent deux composantes : une partie à basse vitesse qui correspond à une évaporation après redistribution de l'énergie dans l'agrégat, et une partie à haute vitesse où la molécule d'eau est évaporée avant redistribution de l'énergie. La comparaison des résultats avec les distributions calculées par dynamique moléculaire statistique montre que la partie basse vitesse peut être interprétée comme la contribution des deux possibilités d'excitation induites par la collision : l'excitation de la pyridine protonée ou l'excitation d'une des molécules d'eau / Radiation can damage our biological environment, but it can also be beneficial under certain controlled conditions. Initial action at microscopic scale consists of electronic excitation in molecules. The redistribution of this excitation energy to the environment is the primary process to be understood to describe the radiation effect on biomolecular system. Isolated molecular clusters in gas-phase are a promising model system to study the molecular interaction under radiation.The first part of this work describes the construction and the validation of a beamline which can produce bunches of cold molecular cluster ions to be injected in the RIKEN cryogenic electrostatic (RICE} storage ring. The beamline is composed of an electrospray ion source, a quadrupole mass filter, ion guides and an acceleration tube; with the main part being a cryogenic ion trap cool down to SK. The cold ion bunches, in which the ions have been mass selected and accelerated to 20keV, was probed with a laser. The beamline was successfully taken into operation and a measurement of the methylene blue action spectrum in gas-phase was carried out. The second part of this work rely on experiment realized with the dispositif d'irradiation d'agrégats moléculaires (DIAM-IPNL}. The COINTOF-VMI method allows the measurement of the velocity distributions of evaporated molecules from a cluster after high velocity collisions with an argon atom. The velocity distribution measured for mixed clusters protonated pyridine and water has two components: a low velocity part which corresponds to the evaporation of a water molecule after energy redistribution in the cluster, and a high velocity part in which the molecule is evaporated before total energy redistribution. Comparison with the distribution calculated by statistic molecular dynamic simulation shows that the low velocity part can be interpreted as the contribution of two possible excitations induced by collision: excitation on protonated pyridine and excitation on a water molecule

Les molécules aromatiques protonées jouent un rôle important dans les réactions de substitution électrophile aromatique, et dans différents processus biologiques. Ces molécules sont présentes aussi dans d'autres milieux tels que les flammes de combustion, les plasmas de divers hydrocarbures, les ionosphères planétaires (Titan) et le milieu interstellaire. Les molécules protonées sont très stables car elles ont des couches électroniques complètes mais elles sont en général très sensibles à leur environnement local car elles sont chargées : une étude en phase gazeuse est nécessaire pour déterminer leurs propriétés intrinsèques. Jusqu'à présent, très peu de chose était connu sur les molécules protonées isolées en phase gazeuse, seulement quelques résultats étaient disponibles. Ce manque de données venait de la difficulté de générer des molécules protonées en phase gazeuse et surtout de les produire à basse température (la protonation est une réaction exothermique). Récemment, des progrès ont permis d'étudier les molécules protonées en phase gazeuse à très basse température, en particulier par le développement des sources ioniques couplées avec des techniques d'expansion de jet supersonique. Grâce à cette technique on a enregistré le spectre photo fragmentation de l'état fondamental vers le premier état excité (S1←S0) de différentes molécules aromatiques protonées en phase gazeuse. Les molécules que nous avons étudiées peuvent être regroupées en quatre familles : Les molécules polycycliques aromatiques protonées linéaires (benzène, naphtalène, anthracène, tétracène, pentacène). Les molécules polycycliques aromatiques protonées non linéaires (fluorène, phénanthrène, pyrène). Les molécules protonées contenant un hétéro atome (benzaldéhyde, salicylaldéhyde, 1-naphthol et 2-naphthol, indole, aniline). Les agrégats protonés (dimère de benzène, naphtalène (H2O)n, n=1,2,3. naphtalène (NH3)n, n=1,2,3, benzaldéhyde (Ar , N2)). Dans les spectres enregistrés presque toutes les transitions électroniques S1←S0 sont décalées vers le rouge (basse énergie) par rapport à celui des molécules parentes neutres. Ce décalage est dû au caractère transfert de charge du premier état excité. Certains spectres sont résolus vibrationnellement, alors que pour d'autres molécules le spectre ne présente pas de progression vibrationnelle à cause d'un dynamique très rapide de l'état excité menant par des intersections coniques à l'état fondamental. Les spectres d'absorption des molécules protonées sont plus riches en vibrations par comparaison avec les molécules neutre. Cela reflète le changement relativement important de géométrie de l'état excité dû à son caractère transfert de charge. Les résultats expérimentaux ont été complétés par des calculs ab-initio qui ont permis de localiser la transition électronique, déterminer la structure géométrique et électronique, les modes de vibration et, pour certaines de ces molécules, la dynamique de l'état excité. Les calculs sont en général en très bon accord avec les expériences.

Les protéines fluorescentes, comme la GFP (green fluorescent protein), sont des protéines naturellement fluorescentes qui sont utilisées pour leur rôle de marqueur, permettant de localiser des protéines dans les cellules et d'en suivre les déplacements. De nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées ces dix dernières années sur les protéines fluorescentes. De là, se forge une compréhension essentiellement qualitative du rôle de la protéine vis-à-vis de l’obtention ou non d’une émission radiative : il apparaît que la protéine permet la fluorescence en bloquant les processus qui la désactivent ; ces processus de désactivation sont très rapides et efficaces (à l'échelle de la picoseconde) dans le cas du chromophore seul, et ils sont bien identifiés comme étant des torsions autour des liaisons intercycles (tau et phi). Dans la protéine, la sensibilité des temps de vie de fluorescence à des mutations proches ou non du chromophore, à des modifications de pH ou de température laisse supposer un contrôle de la dynamique du chromophore par différents paramètres, sans qu’ils soient pour autant identifiés et mis en relation.Une étude de la dynamique de la protéine permettrait de faire la lumière sur les mécanismes responsables de ces phénomènes photophysiques pour lesquels une analyse structurale ne suffit pas. Cependant l'étude de la dynamique est limitée par la taille du système (>30 000 atomes), par l'échelle de temps des phénomènes photophysiques considérés (dizaine de nanosecondes) et par le fait que les deux torsions tau et phi sont fortement couplées dans l'état excité du chromophore. Ces trois facteurs excluent les méthodes de dynamique existantes aujourd'hui ; dynamique quantique (AIMD), dynamique mixte classique-quantique (QM/MD) et dynamique moléculaire classique (MD).Nous avons surmonté le problème par la modélisation de la surface d’énergie potentielle de torsion du chromophore à l’état excité basée sur des calculs quantiques de haute précision, par une interpolation des valeurs obtenues par une expression analytique appropriée en fonction des angles de torsion tau et phi et avec une précision suffisante pour reproduire des barrières de l’ordre de la kcal/mol, et enfin, par l’implémentation de cette expression analytique dans le programme parallèle AMBER. Une deuxième difficulté théorique concerne la simulation et l’analyse statistique d’événements peu fréquents à l’échelle de la nanoseconde, et dont on ne connait pas le chemin de réaction, ici les déformations de la protéine et du chromophore conduisant aux géométries favorables à la conversion interne. Grâce à ces développements et aux simulations qu'ils ont permises, nous avons réalisé la première modélisation de la désactivation non-radiative par conversion interne à l’échelle de la nanoseconde dans trois protéines fluorescentes différentes. L’analyse des dynamiques moléculaires classiques nous donne une évaluation quantitative des temps de vie de l’extinction de fluorescence, en accord avec les données expérimentales. Par ailleurs elle nous a permis d'identifier les mouvements moléculaires concertés de la protéine et du chromophore conduisant à cette extinction. De ces résultats, émerge une représentation plus complète du mécanisme qui libère la torsion du chromophore ou qui la déclenche : il peut venir d’un mouvement spécifique de la protéine, qui se produit à l’échelle de la nanoseconde, ou bien de plusieurs mouvements spécifiques, plus fréquents (rupture de liaisons hydrogène, rotation de chaînes latérales, dynamique d'agrégats d’eau), mais qui coïncident seulement à l’échelle de la nanoseconde. Ces mouvements spécifiques n’ont pas un coût énergétique important mais la nécessité de leur coïncidence crée un délai de l’ordre de quelques nanosecondes alors que dans le vide la torsion se produit en quelques picosecondes. Dans le cas des protéines étudiées, on a identifié en grande partie les mécanismes et les acides aminés qui sont impliqués. / Fluorescent proteins, like GFP (green fluorescent protein), are efficient sensors for a variety of physical-chemical properties and they are extensively used as markers in living cells imaging. These proteins have been widely studied both experimentally and theoretically the last decade. The comprehension of the protein's role in the regulation of the radiative emission is today essentially qualitative: it appears that the protein enables the fluorescence by blocking the processes that deactivates it; the deactivating processes are very quick and efficient (on the picosecond time scale) when the chromophore is isolated, and they are identified as being the torsions around the central bonds of the chromophore (tau and phi). The fluorescence lifetimes of a protein is very sensitive to mutations in the vicinity of the chromophore, to modifications in pH or in temperature. This seems to indicate a control of the dynamics of the chromophore by different parameters, that are not necessarily identified.A study of the dynamics of the protein would allow a deeper understanding of the mechanisms that are responsible for the fluorescence quenching. From a theoretical point of view, one is faced with three difficulties in this type of study: the size of the system (>30 000 atoms including a water box), the required time scale (tens of nanoseconds) and the fact that the torsions tau and phi are strongly coupled in the excited state of the chromophore. We must thus rule out the already existing dynamics methods: quantum dynamics (AIMD), mixed classical-quantum dynamics (QM/MD) and classical molecular dynamics (MD).We have overcome this problem by modeling the torsional potential energy surface of the chromophore in the first excited state trough high precision quantum calculations, by interpolating the energy values with an analytical fitting expression depending on the torsions tau and phi and with a precision high enough to reproduce barriers of the order of 1 kcal/mol, and lastly, by implementing this fitting expression in a parallelized version of the MD program AMBER. Another theoretical difficulty concerns the simulation and the statistical analysis of rare events on the nanosecond time scale without knowing the reaction path in advance, i.e. the deformations of the protein and of the chromophore leading to geometries where the internal conversion is favored. As a result of these developments and of the simulations they have enabled, we have been able to model, for the first time, the non-radiative deactivation by internal conversion at the nanosecond time scale in three different fluorescent proteins. The analysis of the classical molecular dynamics gives us a quantitative evaluation of the lifetime of the fluorescence extinction, in agreement with experimental results. In addition, it has allowed us to identify the concerted molecular movements between the protein and the chromophore leading to this extinction. A more complete representation of the mechanism that liberates or provokes the chromophore torsion emerges from these results: it could be a specific movement of the protein, that occurs on the nanosecond timescale, or several specific movements that occur more frequently (breakage of a hydrogen bond, rotation of side chains, dynamics of a water cluster), but that coincide only on the nanosecond time scale. These specific movements do not have a high energy cost but the need for them to coincide creates a delay of several nanoseconds compared to the chromophore torsion in vacuo which occurs after a few picoseconds. In the proteins we have studied (GFP, YFP and Padron), we have identified the principle components of the mechanisms and the amino acids that are implicated in this chromophore-protein interplay.

Les molécules aromatiques protonées jouent un rôle important dans les réactions de substitution électrophile aromatique, et dans différents processus biologiques. Ces molécules sont présentes aussi dans d’autres milieux tels que les flammes de combustion, les plasmas de divers hydrocarbures, les ionosphères planétaires (Titan) et le milieu interstellaire. Les molécules protonées sont très stables car elles ont des couches électroniques complètes mais elles sont en général très sensibles à leur environnement local car elles sont chargées : une étude en phase gazeuse est nécessaire pour déterminer leurs propriétés intrinsèques. Jusqu’à présent, très peu de chose était connu sur les molécules protonées isolées en phase gazeuse, seulement quelques résultats étaient disponibles. Ce manque de données venait de la difficulté de générer des molécules protonées en phase gazeuse et surtout de les produire à basse température (la protonation est une réaction exothermique). Récemment, des progrès ont permis d’étudier les molécules protonées en phase gazeuse à très basse température, en particulier par le développement des sources ioniques couplées avec des techniques d'expansion de jet supersonique. Grâce à cette technique on a enregistré le spectre photo fragmentation de l’état fondamental vers le premier état excité (S1←S0) de différentes molécules aromatiques protonées en phase gazeuse. Les molécules que nous avons étudiées peuvent être regroupées en quatre familles : Les molécules polycycliques aromatiques protonées linéaires (benzène, naphtalène, anthracène, tétracène, pentacène). Les molécules polycycliques aromatiques protonées non linéaires (fluorène, phénanthrène, pyrène). Les molécules protonées contenant un hétéro atome (benzaldéhyde, salicylaldéhyde, 1-naphthol et 2-naphthol, indole, aniline). Les agrégats protonés (dimère de benzène, naphtalène (H2O)n, n=1,2,3. naphtalène (NH3)n, n=1,2,3, benzaldéhyde (Ar , N2)). Dans les spectres enregistrés presque toutes les transitions électroniques S1←S0 sont décalées vers le rouge (basse énergie) par rapport à celui des molécules parentes neutres. Ce décalage est dû au caractère transfert de charge du premier état excité. Certains spectres sont résolus vibrationnellement, alors que pour d'autres molécules le spectre ne présente pas de progression vibrationnelle à cause d’un dynamique très rapide de l’état excité menant par des intersections coniques à l’état fondamental. Les spectres d’absorption des molécules protonées sont plus riches en vibrations par comparaison avec les molécules neutre. Cela reflète le changement relativement important de géométrie de l’état excité dû à son caractère transfert de charge. Les résultats expérimentaux ont été complétés par des calculs ab-initio qui ont permis de localiser la transition électronique, déterminer la structure géométrique et électronique, les modes de vibration et, pour certaines de ces molécules, la dynamique de l’état excité. Les calculs sont en général en très bon accord avec les expériences. / Protonated aromatic molecules play an important role in electrophilic aromatic substitution reactions, fundamental reactions in organic chemistry and in various biological processes. The interstellar medium is another environment which is likely to contain the protonated aromatic molecules, that’s because these molecules are stable chemically since they are close shell electronic structure. These molecules were also identified in others environments such as combustion flames, plasmas of various hydrocarbons and the upper atmosphere of Titan. Protonated molecules are usually very sensitive to their local environment; a gas phase study is required to determine their intrinsic properties. Until now, very little is known about the isolated protonated molecules, only a few results are available in the literature. This lack of data is due to the difficulties of the production and the cooling of these molecules in gas phase. The technical progress we have done has enabled the study of protonated molecules in the gas phase at very low temperatures, using an ion sources, supersonic jet and the laser induced photofragmentation techniques. Using this technique, we have recorded many electronic spectra (S1←S0) of different protonated molecules. We can regroup the studied molecules into four: Linear protonated polycyclic aromatic molecules (benzene, naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene). Nonlinear protonated polycyclic aromatic molecules (fluorene, phenanthrene, pyrene). Protonated molecules containing an hetero atom (benzaldehyde, salicylaldehyde, 1-naphthol and 2-naphthol, indole, aniline). Protonated cluster (dimer of benzene, naphthalene (H2O)n, n = 1,2,3. Naphthalene (NH3)n, n = 1,2,3, benzaldehyde (Ar, N2)). Most of those spectra are red-shifted compare to the spectrums of neutral parent molecules. This red-shift is due to charge transfer character of the first excited state. Some spectra are vibrationally resolved, while for other molecules the spectrum do not shows any vibrational progression. This behaviour is explained by the dynamic of the excited state, this dynamic being usually is very fast, sometimes leading to the ground state through a conical intersection. The spectra of protonated molecules are very active vibrationally in comparison with neutral molecules, many vibrational modes forbidden for neutral molecule becomes active for the protonated one (Franck-Condon factor is not zero). This is reflecting the charge transfer character of the excited state. The experimental results were complemented by ab-initio calculations, which have allowed determining the electronic transition, the geometric and electronic structure of the molecule, the vibrational modes, and for some of these molecules the dynamics of excited state. Calculations are generally in very good agreement with experiments.