Des chercheurs capturent des protons en train de se dissocier grâce à une « caméra électronique » ultrarapide

Les scientifiques ont détecté des atomes d’hydrogène en mouvement rapide, clés d’innombrables réactions biologiques et chimiques, en action.

Une équipe dirigée par des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et de l’Université de Stanford a utilisé la diffraction électronique ultrarapide (UED) pour enregistrer le mouvement des atomes d’hydrogène dans les molécules d’ammoniac. D’autres avaient émis l’hypothèse qu’ils pouvaient suivre les atomes d’hydrogène par diffraction électronique, mais jusqu’à présent, personne n’avait réussi l’expérience.

Les résultats, Publié dans Lettres d’examen physiqueexploitent les atouts des électrons mégaélectronvolts (MeV) à haute énergie pour étudier les atomes d’hydrogène et les transferts de protons, dans lesquels le proton singulier qui constitue le noyau d’un atome d’hydrogène se déplace d’une molécule à l’autre.

Les transferts de protons entraînent d’innombrables réactions en biologie et en chimie – pensez aux enzymes, qui aident à catalyser les réactions biochimiques, et aux pompes à protons, essentielles aux mitochondries, les centrales électriques des cellules – il serait donc utile de savoir exactement comment sa structure évolue au cours de ces réactions. Mais les transferts de protons se produisent ultra-rapidement : en quelques femtosecondes, un millionième de milliardième de seconde. Il est difficile de les attraper en action.

Une possibilité consiste à projeter des rayons X sur une molécule, puis à utiliser les rayons X diffusés pour en apprendre davantage sur la structure de la molécule au fur et à mesure de son évolution. Hélas, les rayons X n’interagissent qu’avec les électrons, et non avec les noyaux atomiques, ce n’est donc pas la méthode la plus sensible.

Pour obtenir les réponses qu’ils cherchaient, une équipe dirigée par le scientifique du SLAC Thomas Wolf, a mis en service MeV-UED, la caméra à diffraction électronique ultrarapide du SLAC. Ils ont utilisé de l’ammoniac en phase gazeuse, qui comporte trois atomes d’hydrogène attachés à un atome d’azote. L’équipe a frappé l’ammoniac avec de la lumière ultraviolette, dissociant ou brisant l’une des liaisons hydrogène-azote, puis a envoyé un faisceau d’électrons à travers celle-ci et a capturé les électrons diffractés.

Non seulement ils ont capté les signaux de l’hydrogène se séparant du noyau d’azote, mais ils ont également capté le changement associé dans la structure de la molécule. De plus, les électrons diffusés étaient projetés sous des angles différents, ce qui leur permettait de séparer les deux signaux.

« Avoir quelque chose de sensible aux électrons et quelque chose de sensible aux noyaux dans la même expérience est extrêmement utile », a déclaré Wolf. « Si nous pouvons voir ce qui se passe en premier lorsqu’un atome se dissocie – que les noyaux ou les électrons fassent le premier pas pour se séparer – nous pouvons répondre aux questions sur la façon dont les réactions de dissociation se produisent. »

Grâce à ces informations, les scientifiques pourraient se rapprocher du mécanisme insaisissable du transfert de protons, ce qui pourrait aider à répondre à une myriade de questions en chimie et en biologie. Savoir ce que font les protons pourrait avoir des implications importantes en biologie structurale, où les méthodes traditionnelles comme la cristallographie aux rayons X et la cryomicroscopie électronique ont du mal à « voir » les protons.

À l’avenir, le groupe réalisera la même expérience en utilisant les rayons X du laser à rayons X du SLAC, la source de lumière cohérente Linac (LCLS), pour voir à quel point les résultats sont différents. Ils espèrent également augmenter l’intensité du faisceau d’électrons et améliorer la résolution temporelle de l’expérience afin de pouvoir réellement résoudre les différentes étapes de la dissociation des protons au fil du temps.