Cienciaes.com : Spectroscopie de lumière, de matière et de fluorescence. Nous avons parlé avec Andrés Garzón Ruiz

Notre invité aujourd’hui, Andrés Garzón Ruiz, nous invite à comprendre le jeu complexe qui existe entre rayonnement et matière. Il est professeur à la Faculté de Pharmacie de l’Université de Castilla La Mancha à Albacete où il étudie les propriétés et les interactions entre certaines molécules par spectroscopie de fluorescence.

La lumière, source d’information.

La lumière, ce rayonnement familier avec lequel le monde qui nous entoure est illuminé, s’est révélée, grâce à la Science, comme le plus précieux des trésors. Tout rayon de lumière est un cadeau de la nature qui arrive à nos yeux chargés d’informations. Le visage familier que notre cerveau identifie rapidement, le paysage qui nous surprend par sa beauté ou l’image grotesque qui provoque notre rejet ne sont, au fond, que des sensations qui se déclenchent dans notre cerveau comme réponse des atomes et des molécules à la lumière. Bien que l’évolution nous ait préparés à interpréter les informations lumineuses pour survivre, la vérité est que la lumière elle-même contient beaucoup plus d’informations, des informations prêtes à être interprétées par ceux qui peuvent et savent les lire.

Nous savons maintenant qu’il y a beaucoup plus de lumière que ce que nous voyons, c’est pourquoi nous avons élargi le concept à un concept plus large appelé « rayonnement électromagnétique ». Nos yeux ne sont que des récepteurs limités, façonnés par l’évolution pour survivre dans un monde changeant et parfois menaçant. Au-delà de cette interprétation, les scientifiques ont développé des détecteurs capables de recevoir et d’analyser une lumière que nous ne voyons pas pour la simple raison que nos yeux n’y sont pas préparés. On parle alors d’ondes électromagnétiques qui vibrent à des fréquences différentes, tout comme les stations de radio proposent des informations différentes lorsque l’on règle les fréquences avec le cadran de l’appareil récepteur. Nos yeux n’en distinguent que quelques-uns et, une fois détectés, notre cerveau leur attribue une couleur, c’est ainsi que l’on distingue les couleurs de l’arc-en-ciel.

Cependant, nous ne pouvons pas détecter les rayonnements à des fréquences supérieures au violet et inférieures au rouge. Les ondes électromagnétiques de fréquence plus élevée que le violet, les rayons ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma ont la même essence que la lumière visible, mais nos yeux sont aveugles à chacun d’eux, bien que nous puissions les détecter par d’autres moyens développés par la science. La même chose se produit avec un rayonnement d’une fréquence « inférieure » au rouge – le rayonnement le plus faible que nos yeux peuvent détecter – nous rencontrerons des rayonnements « infrarouges », des micro-ondes et des ondes radio, tous également invisibles pour nous.

Quelle est l’origine de ce rayonnement ?

La lumière, c’est-à-dire le rayonnement électromagnétique, trouve son origine dans la matière. Les atomes sont constitués de particules chargées, de protons et d’électrons, reliés les uns aux autres par des forces électriques et magnétiques. Lorsqu’une particule chargée se déplace, une autre au loin détecte le mouvement et se déplace également. Mais la communication entre les deux n’est pas instantanée, elle se transmet dans le vide à la vitesse de la lumière. On peut dire que lorsqu’une particule chargée se déplace, l’espace qui l’entoure tremble, comme la surface d’un étang tremble lorsqu’on jette une pierre dans l’eau. Si cette onde rencontre d’autres particules sur son passage, elles dansent à son rythme et y réagissent. Il s’agit essentiellement du jeu entre le rayonnement et la matière.

Ce qui se passera ensuite dépend de nombreux facteurs. Un électron se déplaçant autour du noyau d’un atome peut être forcé par l’onde à occuper une position différente, acquérant ainsi une énergie plus élevée. Lorsque cela se produit, l’électron a tendance à perdre cette énergie et à retourner à sa place, un changement qui se traduit par une nouvelle perturbation du milieu, une nouvelle onde qui voyage dans l’espace à la vitesse de la lumière. En revanche, l’énergie absorbée disparaît du milieu et n’est plus transmise, laissant un vide dans l’émission d’origine. Ainsi, dans ce jeu d’émissions et d’absorptions, l’énergie électromagnétique évolue à mesure qu’elle avance dans l’espace et se charge d’histoire.

Un rayon lumineux n’est normalement pas composé d’ondes électromagnétiques d’une seule fréquence – ce serait la lumière laser – il s’agit généralement d’un mélange de nombreux rayonnements de fréquences différentes. On l’observe en continu dans l’arc-en-ciel, la lumière blanche du Soleil est décomposée par les gouttelettes d’eau de telle sorte que les couleurs se séparent les unes des autres donnant la séquence qui va du rouge au violet. Les scientifiques ont appris à faire de même, c’est-à-dire à séparer les différentes fréquences du rayonnement électromagnétique de manière contrôlée et sans les limitations de nos yeux. Cet ensemble de « couleurs », au sens large, est appelé « spectre électromagnétique ».

Tout corps chaud produit de l’énergie électromagnétique. Notre corps, qui est à une température de 36º Celsius, émet dans l’infrarouge, le Soleil, dont la température de surface atteint 5 000º Celsius, émet dans le visible. Mais si la lumière émise par le Soleil traverse un nuage sur son chemin, certains de ses atomes et molécules absorberont certaines fréquences et seront transparents pour d’autres, laissant ainsi leur signature dans le rayonnement qui le traverse. Si un scientifique analyse son spectre, il peut déterminer la composition du nuage en fonction du rayonnement perdu.

Ce jeu entre matière et rayonnement s’est avéré être une véritable source de connaissances qui permet à la fois de connaître la composition d’étoiles lointaines et d’identifier des échantillons chimiques dont nous ignorons la composition et les propriétés, grâce à leur manière particulière de répondre à la lumière. Le domaine de recherche offert par cette branche de la connaissance est la spectroscopie, domaine dans lequel travaille notre invité d’aujourd’hui, Andrés Garzón Ruiz.

Dans son laboratoire de la Faculté de Pharmacie de l’Université de Castilla La Mancha, à Albacete, Andrés Garzón étudie les interactions du rayonnement électromagnétique avec des molécules complexes, comme celles qui se produisent entre les protéines et les médicaments. Si un médicament se lie à une protéine, l’ensemble des deux protéines liées se comportera différemment par rapport à la lumière que la protéine ou le médicament séparément. Une protéine surexprimée, c’est-à-dire plus abondante que la normale en raison d’un certain type de maladie, comme le cancer par exemple, pourrait être inactivée par un médicament qui se lie à elle et empêche son fonctionnement. L’immense nombre de combinaisons possibles entre protéines et médicaments nous oblige à étudier cette interaction à l’aide de méthodes informatiques et de techniques de spectroscopie de fluorescence pour réduire les solutions possibles et, par la suite, utiliser ces connaissances pour préparer un véritable médicament, en laboratoire.

Les méthodes de recherche utilisées par Andrés Garzón Ruiz et son équipe utilisent des techniques de dynamique moléculaire ou de « docking » avec lesquelles une protéine cible est étudiée pour localiser une lacune dans sa structure à laquelle un médicament peut être attaché. Les protéines sont de très longues molécules qui se replient dans les trois dimensions de l’espace, formant un enchevêtrement, comme une balle, qui laisse des espaces dans lesquels peut être attaché un éventuel médicament qui, comme une clé et une serrure, désactive la protéine et limite ses performances. Une fois la protéine cible sélectionnée, à l’aide de techniques informatiques, les possibilités de couplage avec des milliers de molécules d’une base de données sont étudiées pour détecter, parmi elles, celles qui interagissent de manière appropriée avec la protéine.

Une fois sélectionnées les molécules qui peuvent bien fonctionner, il faut se rendre au laboratoire et vérifier que c’est bien le cas. Il se peut que le médicament fonctionne, c’est-à-dire qu’il se lie à la protéine et l’inactive, mais lorsqu’il s’agit de le tester dans un système biologique réel, le médicament peut ne pas être capable de traverser la membrane cellulaire et d’atteindre sa cible. . but. La spectroscopie de fluorescence est une technique qui permet de suivre l’interaction entre la molécule étudiée et la protéine. L’échantillon est placé dans un faisceau lumineux et la réponse est analysée. Le rayonnement qu’absorbe la molécule, le rayonnement qu’elle émet et le temps de réponse, ces trois paramètres permettent d’identifier l’interaction entre eux.

Nous avons discuté de ce sujet et d’autres sujets avec Andrés Garzón Ruiz, professeur à la Faculté de Pharmacie de l’Université de Castilla La Mancha à Albacete.