Les progrès technologiques insufflent un nouvel élan à la résonance magnétique nucléaire
La base de toute substance imaginable réside dans sa structure moléculaire. Comprendre et améliorer les propriétés de la matière nécessite d’identifier sa dynamique à l’échelle atomique. Le projet HIRES-MULTIDYN(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par l’UE, a développé de nouveaux instruments, méthodes et cadres théoriques pour faire progresser la recherche scientifique, le développement de médicaments et les applications de la science des matériaux dans de nombreux domaines.
Quelques notions clés de la résonance magnétique nucléaire
Une technique analytique puissante, la résonance magnétique nucléaire (RMN)(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), est utilisée pour examiner la structure et l’interaction des molécules. La RMN repose sur le comportement des noyaux atomiques lorsqu’ils sont exposés à un champ magnétique intense. Cette technique non destructive trouve des applications en chimie, biologie, médecine, pharmacologie, nutrition et énergie. La RMN pouvant être utilisée pour examiner n’importe quel matériau, ses applications sont pratiquement illimitées. Son application la plus connue est l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Les appareils d’IRM, que l’on trouve dans les établissements médicaux du monde entier, produisent des images détaillées des organes et des tissus internes. Ils utilisent de puissants aimants, environ 30 000 fois plus intenses que le champ magnétique terrestre, pour provoquer des réponses des noyaux atomiques qui sont ensuite converties en images diagnostiques.
La relaxométrie ultrarapide à haute résolution
Aussi puissante soit-elle, la RMN ne fournit que des informations limitées sur la dynamique à plusieurs échelles des systèmes complexes. La relaxation est le processus par lequel les spins nucléaires affectés par le champ magnétique reviennent à l’équilibre. La mesure des taux de relaxation donne un accès indirect aux mouvements moléculaires. Toutefois, la relaxation étant sensible aux mouvements sur des échelles de temps inversement proportionnelles au champ magnétique, l’observation des mouvements plus lents nécessite de mesurer la relaxation à des champs magnétiques plus faibles, ce qui est incompatible avec la RMN sensible à haute résolution. Pour relever ce défi, HIRES-MULTIDYN a réuni une équipe d’experts de premier plan en méthodes de RMN, en développement d’instruments et en fondements théoriques de la dynamique moléculaire. La solution du projet est baptisée relaxométrie ultrarapide à haute résolution (UHRR). Cette technologie révolutionnaire permet de caractériser la dynamique de systèmes complexes à des échelles de temps allant de la picoseconde à la microseconde. La solution du projet exigeait des conditions exceptionnelles dans un système très contrôlé. Comme l’explique Fabien Ferrage, coordinateur du projet: «Pour concevoir notre prototype, nous devions déplacer un échantillon très rapidement, à 100 km par heure, dans un environnement hautement contrôlé. Nous devions également ajouter une série d’aimants supplémentaires juste au-dessus de l’aimant principal pour la RMN à haut champ, notamment un aimant capable de modifier son champ d’un facteur 10 000 en environ une milliseconde».
Ouvrir de nouvelles perspectives pour la recherche et les applications
Le développement des instruments, des méthodes et du cadre théorique qui soutiennent la solution HIRES-MULTIDYN a posé de nombreux défis, mais les efforts de l’équipe du projet ont été couronnés de succès grâce au dévouement de tous les partenaires. Le prototype d’UHRR a été testé dans un certain nombre d’applications de validation de concept sur des systèmes complexes, notamment des protéines, des aliments liquides(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et des fluides corporels. Les applications futures de cette avancée technologique sont considérables. «Nous avons utilisé ce prototype pour déterminer les mouvements dans divers systèmes, notamment pour quantifier les mouvements qui sont essentiels à la liaison des médicaments à une protéine kinase, pour déterminer comment une petite molécule se lie à une cible médicamenteuse, pour comprendre les mouvements dans les aliments liquides comme l’huile d’olive, et dans les liquides ioniques qui peuvent être utilisés dans les batteries», explique Fabien Ferrage. Les résultats sont prometteurs. Grâce à de nouveaux cadres conceptuels, méthodes et instruments développés par des leaders mondiaux de la spectroscopie RMN, l’UHRR est en passe d’ouvrir un nouveau niveau de compréhension en chimie, biologie et science des matériaux.
