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Comment mieux voir pour mieux comprendre ?

Localiser les atomes voisins du calcium dans des organismes vivants ?

31/08/2009 par Christophe Cartier dit Moulin / santé, résonance magnétique nucléaire, calcium

Le calcium est un élément qui joue un rôle essentiel dans de nombreux organismes vivants. Cependant, il n’existe que peu de techniques permettant la caractérisation de son environnement atomique dont la connaissance est indispensable pour comprendre son rôle dans les processus physiologiques dans lesquels il est impliqué. Des chercheurs de l’Institut Charles Gerhardt (CNRS / Université Montpellier 2/ Université Montpellier 1 / Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier), du Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée (Paris), de l’Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés (Paris), du laboratoire Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation (Orléans), et de l’Université de Warwick (Royaume-Uni) viennent pour la première fois de montrer, sur un composé modèle simple, qu’en utilisant la Résonance Magnétique Nucléaire du calcium-43, il est possible de distinguer et localiser les atomes situés dans le voisinage du calcium, jusqu’à des distances de plus de 5.6 Ångströms. Un premier pas vers la caractérisation de systèmes biologiques plus complexes ? Ce résultat fait l’objet d’une publication dans le Journal of the American Chemical Society, mise en ligne le 28 août 2009.

Le calcium est largement répandu dans la nature. C’est le 5ème élément le plus abondant de la croûte terrestre, et il est présent dans de très nombreux matériaux tels que le ciment (silicate de calcium), le plâtre (sulfate de calcium) et le marbre (carbonate de calcium). C’est aussi le cation métallique le plus abondant dans le corps humain. Il joue un rôle structural essentiel dans les organismes vivants (formation des tissus osseux, dents ou coquilles), et il est également impliqué dans la régulation de nombreux processus physiologiques tels que la contraction musculaire.

Hélas, très peu de techniques sont utilisables pour analyser l’environnement atomique de ce cation, en particulier dans le cas d’espèces peu cristallines ou désordonnées. Pour progresser dans la compréhension du rôle de ce cation dans les nombreux processus physiologiques dans lesquels il est impliqué, et afin de synthétiser de manière rationnelle des matériaux reproduisant ces propriétés, il est essentiel de développer des outils permettant de sonder son environnement local.

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) [1] du calcium est une technique qui ne s’applique qu’à l’isotope 43 du calcium. En théorie, elle permet d’analyser la structure locale autour de cet élément. Mais les mesures sont difficiles à réaliser à cause de la très faible abondance naturelle du calcium-43 par rapport au calcium 40 (isotope le plus abondant du calcium), et de son faible rapport gyromagnétique [2] (grandeur qui est à l’origine du signal RMN que l’on va mesurer).

En réalisant des expériences RMN du solide haute résolution et en développant des méthodes spécifiques de simulation des signaux enregistrés, les chercheurs ont montré, dans le cas d’un composé modèle enrichi en calcium-43, le benzoate de calcium, qu’il est possible de sonder les corrélations calcium-carbone entre des atomes séparés de plus de 5.6 Ångströms [3], et de distinguer ainsi très précisément les atomes de carbone du benzoate en fonction de leur proximité au calcium. Un premier pas vient donc d’être franchi pour l’application de cette technique de caractérisation structurale à d’autres composés contenant du calcium. La question est de voir maintenant ses performances dans le cas des organismes vivants où l’on sait très bien que l’environnement du calcium est beaucoup plus complexe que celui du système modèle étudié dans ce travail. Affaire à suivre…

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Représentation de l’une des corrélations 43Ca-13C mises en évidence par RMN du solide dans le benzoate de calcium.

Référence

Implementation of High Resolution 43Ca Solid State NMR Spectroscopy : Toward the Elucidation of Calcium Sites in Biological Materials
Danielle Laurencin, Christel Gervais, Alan Wong, Cristina Coelho, Francesco Mauri, Dominique Massiot, Mark E. Smith, and Christian Bonhomme
Journal of the American Chemical Society 28 août 2009.

Source  : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Danielle Laurencin / Institut Charles Gerhardt (Montpellier)


[1] La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique d’analyse chimique et structurale non destructive très utilisée en physique (études de matériaux), chimie ou biochimie (structure de molécules) et pour l’imagerie médicale.

[2] Le rapport gyromagnétique est le rapport entre le moment magnétique et le moment cinétique d’une particule.

[3] 10 Ångströms équivalent à un milliardième de mètre.

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