Apports d'une étude dynamique

Les méthodes d'analyse décrites ci-dessus constituent aujourd'hui des outils de routine (en particulier la diraction de rayons X et la cryomicroscopie électronique) qui donnent des informations sur la structure à la fois ne et globale des virions. Ces caractérisations, bien qu'essentielles à la compréhension des mécanismes des virus restent malgré tout d'ordre statique et éludent l'aspect de la dynamique collective dans les structures virales L'application classique de la diusion Raman aux virus est certes répandue mais fournit principalement des informations à l'échelle molé-culaire. Au même titre que la dynamique de nanoparticules solides s'associe à des propriétés spéciques non révélées par les techniques d'analyse structurale (couplage élastique matrice/particule ou particule/particule, couplage plasmon/phonon dans le cas de nanoparticules métalliques, gap acoustique pour des opales de matériaux diélectriques...), considérer les virus comme des structures dynamiques revient à en-visager la possibilité que le fonctionnement et le comportement d'un virus ne sont pas uniquement le fait de mécanismes moléculaires localisés (interaction avec telle ou telle unité protéique par exemple) mais aussi de propriétés physiques collectives.

A travers la description de quelques aspects simples de la dynamique collective des nano-morphologies virales, nous voyons dans la suite en quoi l'étude expérimentale des modes de vibration de virus mérite, à nos yeux, d'être entreprise.

La compréhension de la dynamique des virus peut déboucher sur de nombreuses applications et alimenter en particulier des spéculations plus ou moins fantaisistes comme la lyse des virus par résonance avec leurs modes de vibration au moyen d'une source T Hz ou sub-T Hz (ultrasons, microondes) [69]. Une autre application plus sérieuse signalée initialement dans le cadre d'une conférence de l'armée américaine sur le bioterrorisme [70] consiste à mettre à prot la diusion Raman dans l'identi-cation des particules virales par l'intermédiaire de leur taille. Cette idée repose sur le fait que la détermination expérimentale de la fréquence d'un mode de vibration d'une particule virale donne accès à sa taille en vertu de la relation (1.25). Cela peut éventuellement constituer une méthode de discrimination rapide d'un virus inconnu en permettant de le classer parmi les plus petits virus (D < 50nm), les virus de taille intermédiaire (de50à 100nm) ou les gros virus (plus de100nm). Le virus de la variole par exemple fait partie de cette dernière catégorie.

Les études par diraction de rayons X ou microscopie électronique, sur de nom-breuses espèces de virus, ont montré depuis longtemps que la taille d'un virus

pou-Figure 1.9 Modélisation de la transition compact/goné du TBSV [5].

vait changer de manière signicative (de quelques % à une dizaine de % pour le TBSV [61] ou le CCMV [7] et jusqu'à20% pour le poliovirus [5]). Ces changements de taille, généralement réversibles, sont observés pour des conditions de pH ou de force ionique précises et peuvent être déclenchés par la présence de certaines es-pèces chimiques (Ca²⁺ pour le CCMV et le TBSV par exemple). Ils sont associés à des transitions conformationnelles concertées de la capside virale, de la forme dite compacte (forme native) à la forme dite gonée , sans nécessiter pour autant une réorganisation complète de la structure du virion. Dans certains cas, comme celui du poliovirus, cette transition s'accompagne de l'inactivation du virus. Witz et Brown [5] furent parmi les premiers à souligner l'importance de ces transitions conformationnelles, notamment en remarquant que la disposition des unités pro-téiques dans la forme gonée permettait une externalisation du contenu viral (gure 1.9).

Cette externalisation peut ne pas être anodine dans l'interaction du virus avec son environnement (il a été postulé que le gonement constitue une première étape dans l'expulsion du génome au cours de l'infection) et incite de fait à mieux connaître les mécanismes sous-jacents de ces transitions de grande échelle.

Les approches numériques telles que l'Analyse en Modes Normaux (NMA) ap-portent à cet égard des éléments intéressants. Cette méthode, initialement employée pour calculer les modes de très basse fréquence impliqués dans les changements conformationnels de protéines, consiste à calculer les modes normaux de vibration à partir d'un potentiel d'interaction choisi (type oscillateur harmonique) et moyennant une représentation simpliée de la structure virale. Typiquement, ne sont modélisées dans ces travaux que les capsides virales, en ne considérant que l'interaction entre des carbones C_α des unités protéiques. Les modes normaux ainsi calculés montrent que la mosaïcité des capsomères dans les capsides n'empêche pas le développement de modes propres identiques à ceux d'une coquille élastique homogène ou bien ceux d'une nanosphère.A titre d'illustration, la gure 1.10 représente quelques uns de ces

Figure 1.10 Représentation de quelques modes du poliovirus calculés par NMA [6] : en haut, des modes sphéroïdaux similaires à gauche à un mode radial et à droite au mode quadrupolaire ; en bas sont représentés des modes torsionnels.

modes pour la capside du poliovirus .

En évaluant la projection des modes normaux ainsi calculés sur le vecteur de déplacement associé à la transition compact/goné, il a été démontré dans le cas du CCMV par exemple, que le mode de respiration rend compte à plus de 95% de la transition (gure 1.11).

Ce résultat, certes issu d'hypothèses simplicatrices (notamment concernant l'harmonicité des modes), suggère donc que la transition entre la forme compacte et la forme gonée puisse être assistée par la dynamique vibrationnelle propre à la morphologie globale du virion. Vue sous cet angle, la caractérisation expérimen-tale des modes de vibration de virus peut déboucher sur des informations nouvelles susceptibles d'éclairer les spécicités de certains mécanismes intimement liés à des propriétés collectives. Ce faisant, elle peut aussi permettre de quantier la cohé-sion globale et la exibilité d'une particule virale, paramètres déterminant dans la stabilité des structures virales [71].

Figure 1.11 Amplitude et direction du mouvement pour le CCMV (a) obtenues en calculant la diérence entre les coordonnées de la forme compacte et celle de la forme gonée (b) pour le mode de respiration [7].

Raman Résonnant et du SERS [73].

Ces signatures sont des modes de vibration dont la longueur d'onde est de l'ordre de grandeur de la longueur de liaison entre atomes (∼ 1/10nm). La spectroscopie Raman est donc une sonde très locale de la matière. Si l'on s'intéresse aux modes de vibrations non plus de la liaison atomique mais à l'échelle de l'objet tout entier (macromolécule, édice supramoléculaire ou agrégat métallique par exemple), donc à des vibrations de beaucoup plus basse fréquence (cf. tab. 2.1), on est rapidement confronté à une diculté expérimentale de taille : le fait que la fréquence de ces modes soit très proche de la raie élastique extrêmement intense. Ce problème peut être résolu par l'utilisation d'appareils au contraste et à la résolution très élevés.

Il existe deux appareils de ce type au laboratoire : un quintuple monochromateur et un interféromètre Fabry-Pérot multipassage récemment acquis par le laboratoire.

A l'origine principalement utilisé en physique de la matière condensée pour l'étude des modes acoustiques dans les matériaux, les ondes de spin etc... l'interféromètre est devenu il y a peu un outil de choix pour l'étude de particules de grande taille (colloïdes [74] ou opales, qui sont des assemblages de sphères de silice [75, 76]).

Cette partie donne dans un premier temps un aperçu de la théorie de la diusion inélastique de la lumière. Elle est consacrée dans un second temps à la descrip-tion des dispositifs expérimentaux utilisés. Nous insistons particulièrement sur le fonctionnement et les caractéristiques du tandem Fabry-Pérot (ou interféromètre Fabry-Pérot).

1. L'unité usuelle est lecm⁻¹ pour la spectroscopie Raman et le gigahertz (GHz) pour la spectroscopie Brillouin.1000GHz≡33.36cm⁻¹≡4.1357meV.

Modes de vibration intramoléculaires

Modes acoustiques (longitudinaux à q∼10⁻²nm⁻¹)

Silice ∼1

Eau ∼0.14

Table 2.1 Ordres de grandeur de certaines énergies de vibration (en cm⁻¹).

2.1 Quelques principes de la diusion inélastique de lumière

Nous présentons brièvement dans cette section quelques aspects de la théorie de la diusion inélastique de lumière, aspects développés plus longuement dans les références [77, 78, 79].