Chapitre 4 Étude de la dynamique des chaînes latérales de la soie
4.1 Choix des acides aminés à l’étude
4.2.3 Relaxation et dynamique moléculaire
Les temps de relaxation T1 et T1r indiquent le mouvement dans les échelles de temps MHz et kHz,
respectivement. Les proportions de régions cristallines et amorphes dans les polymères, y compris la soie, peuvent influer de manière significative les temps de relaxation.
Tableau 6 Temps de relaxation 1H T1 pour la soie native et supercontractée des deux acides aminés marqués
dans la soie ampullacée majeure de Nephila clavipes.
1H T1 (s)
Natif SC
1-13C-Gly
1,27 ±0,01 1,19 ±0,02
1-13C-Ala 1,35 ±0,01 1,15 ±0,02
Comme le Tableau 6 le montre, le temps de relaxation à l’état natif de la Gly est plus petit que celui de l’Ala, ce qui indique que les Gly sont plus mobiles et plus flexibles. Les Ala ont, quant à elles, des mouvements plus restreints. Le vecteur Mz revient donc plus rapidement à l’équilibre. Les Gly étant principalement dans la phase
amorphe de la soie, il est attendu qu’elles soient plus mobiles que les Ala qui sont majoritairement sous forme de feuillets b cristallins.
Le Tableau 6 montre également que le temps de relaxation T1 des deux AA est plus faible pour la soie SC que
la soie native. Des résultats similaires ont été obtenus par Kishore et coll. sur la soie de deux araignées australiennes (Nephila edulis et Argiope keyserlingi) non marquées provenant de différentes glandes54. La SC
induit donc une diminution globale du temps de relaxation, ce qui suggère une augmentation de la mobilité une fois la soie SC. Quand on regarde spécifiquement les temps de relaxation de la soie SC, on peut remarquer que les résidus Ala sont plus perturbés par la SC que les Gly. Ce résultat est surprenant puisque dans bon nombre d’articles scientifiques, on remarque que l’eau n’affecte pas les régions cristallines lors de la SC27. En consultant de plus près les spectres 13C CPMAS de la soie native et SC pour l’échantillon marqué
sur les Ala (Figure 30A), on peut noter une variation d’intensité pour le pic du carbonyle, un phénomène que l’on n’observe pas pour l’échantillon marqué sur les Gly.
Figure 30 A, Spectre 13C CPMAS de la soie marquée 1-13C-Ala native en bleu et supercontractée en rouge. B,
schéma représentatif de la contraction des feuillets b suite à la supercontraction dans une fibre de soie d’araignée.
L’intensité du pic carbonyle pour la soie marquée sur Ala est en fait plus élevée pour la soie SC. Cette augmentation d’intensité s’explique par l’efficacité de la PC, cette dernière étant meilleure pour la soie SC, ce qui augmente le signal. Ainsi, les protons qui permettent la PC sont plus nombreux à transférer leur magnétisation au carbone du carbonyle pour la soie SC. Une hypothèse pouvant expliquer ce résultat réside dans le fait qu’en présence d’eau, les feuillets b se contractent légèrement par effet hydrophobe, une hypothèse déjà suggérée par les résultats de spectromicroscopie Raman (section 3.3.2). Ainsi, la densification des feuillets b rapprocherait les protons du carbone à l’étude et accentuerait l’efficacité de la PC. Ce mécanisme est illustré schématiquement à la Figure 30B.
Les valeurs du temps de relaxation 13C T1r sont montrées au Tableau 7. Lorsque l’on compare la Gly de Ala
de la soie native, on peut remarquer que le temps de relaxation est plus élevé pour la Gly. Comme expliqué plus haut, comparativement aux données de relaxation des 1H T
1 où un petit temps de relaxation implique plus
de mouvement, un petit temps de relaxation 13C T1r est synonyme de rigidité et de mouvements restreints.
300 250 200 150 100 50 0 -50 Chemical shi+ (ppm) CP-MAS 1-13C-Ala Na,ve SC 200 150 δ13C (ppm) SC A B CP-MAS 1-13C-Ala Native SC
Tableau 7 Temps de relaxation 13C T1r pour la soie native et supercontractée des deux acides aminés
marqués dans la soie ampullacée majeure de Nephila Clavipes.
13C T1r (ms)
Natif SC
1-13C-Gly 34 ±4 35 ±2
1-13C-Ala 25 ±4 21 ±4
De ce fait, un temps de relaxation plus élevé est synonyme d’un groupement moins rigide et qui a donc plus de liberté de mouvement. Comme attendu, les Gly sont moins rigides que les Ala du fait qu’elles se retrouvent dans les régions amorphes. Au niveau de la Gly, la SC ne semble pas avoir d’effet significatif sur la rigidité des fibres par rapport à la soie native. À l’inverse, pour les Ala, une diminution du temps de relaxation pour la soie SC indique que ces résidus se rigidifient. Ce résultat peut s’expliquer encore une fois par l’hypothèse de la contraction des feuillets b.
Conclusion
Conclusions
Les deux techniques de caractérisation employées dans cette étude ont rendu possible l’approfondissement de nos connaissances sur la structure moléculaire de la soie d’araignée. Les deux instruments permettent d’appuyer l’hypothèse selon laquelle les feuillets b se contractent légèrement suite à la SC.
La première partie, basée sur les résultats de spectromicroscopie Raman, a permis l’étude de l’orientation moléculaire d’une fibre de soie d’araignée Am pour l’espèce AD. La structure moléculaire a été analysée en fonction de la vitesse de filage. Les résultats concernant la soie native suggèrent une vitesse optimale de 1,0 cm/s pour laquelle l’orientation des feuillets b est maximale. Il s’agit d’un résultat qui contredit notre hypothèse de départ selon laquelle l’orientation moléculaire croît continuellement avec la vitesse de filage. Du côté de la soie SC, l’orientation moléculaire semble être indépendante de la vitesse de filage suite au repliement des protéines lorsque les molécules d’eau infiltrent la microstructure de la soie. Une analyse détaillée des spectres Raman a permis de mettre en évidence un élargissement et un déplacement de la bande amide I suite à la SC. Ces observations ont été attribuées à une contraction des feuillets b par effet hydrophobe qui se traduirait par une légère augmentation de la proportion de feuillets b une augmentation interne de l’intensité des liaisons hydrogène interchaines.
La seconde partie de ce mémoire portait sur l’étude de la dynamique moléculaire de la soie marquée isotopiquement sur les deux AA majoritaires de la soie Am. Les données obtenues ont montré que contrairement à ce qui est généralement admis23, 27-29, les régions cristallines impliquant les Ala sont affectées
par la SC. La diminution du 1H T1 après la SC et l’augmentation du signal dans le spectre CPMAS suggère à
nouveau que les feuillets b se contractent en présence d’eau. La diminution du temps de relaxation 13C T1r
suite à la SC indique quant à elle que les Ala deviennent plus rigides, un résultat concordant également avec l’hypothèse de la contraction des feuillets b.
Perspectives
Afin d’enrichir les résultats de cette étude, il serait très intéressant de faire une étude quantitative par spectromicroscopie Raman. Le présent travail en spectromicroscopie Raman est principalement qualitatif. Le calcul des paramètres <P2> et <P4> donnerait une information quantitative sur la distribution d’orientation. La
microscopie Raman polarisée est une technique unique permettant d’obtenir à la fois les polynômes de Legendre du deuxième et du quatrième ordre. Ceux-ci décrivent l’orientation pour des vibrations particulières à l’échantillon80. De plus, en examinant plus en profondeur les 4 spectres polarisés, il serait possible de
quantifier les structures secondaires contribuant à la bande amide I. De ce fait, il serait concevable de déterminer quelles structures sont influencées par la vitesse de filage. Une étude semblable a déjà montré l’effet de la SC sur la structure pour une fibre de soie d’araignée51.
En RMN à l’état solide, il serait intéressant de prendre en considération la soie filée à différentes vitesses et de mesurer les temps de relaxation. De cette manière, nous pourrions avoir de l’information sur la dynamique des chaines polypeptidiques en fonction de la vitesse de filage. Un essai rédigé par Cloutier et coll. a mis en évidence qu’il y avait bel et bien un impact de la vitesse de filage53. Cependant, l’effet combiné de la SC et de
la vitesse de filage n’a pas été étudié par RMN à l’état solide. De plus, il serait pertinent d’exploiter les spectres de poudre (spectre de soie sans rotation dans l’appareil RMN) pour étudier l’influence de la vitesse de filage et l’effet de la SC sur des échantillons marqués isotopiquement. L'anisotropie de déplacement chimique (CSA) est définie comme la différence de déplacement chimique entre les états isotrope et anisotrope. Ainsi, les déplacements chimiques des spectres de poudres peuvent fournir des informations structurelles utiles en raison de leur anisotropie. Les noyaux qui font partie d'un groupe fonctionnel spécifique résonnent à différentes fréquences en fonction du blindage de l'environnement électronique local et de son orientation. Ainsi, il est possible de caractériser la distribution (statique ou mobile) de groupements spécifique29. Dans le même ordre d’idée, l’analyse de différents AA tels que la Pro nous donnerait davantage
d’information sur le phénomène de SC, puisqu’il existe un lien direct entre le pourcentage de Pro dans la soie et l’amplitude de la contraction31. En effet, le motif lié à la proline, GPGXX semblerait être un motif clé. Ce
motif permettrait aux molécules un arrangement moins serré ce qui faciliterait l’accès des molécules d’eau dans les motifs riche en Gly. Résultant en une capacité de supercontraction plus élevée plus la soie contient des Pro dus à une plus grande désorientation.
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