Les Lauréats 2026

La cristallographie aux rayons X a permis de déterminer la structure de centaines de milliers de protéines, mais le plus souvent à l’équilibre au minimum d'énergie potentielle. Or, pour fonctionner – catalyser une réaction, détecter un signal, etc – les protéines doivent adopter des conformations hors équilibre. Cette limitation a poussé, à la fin du XXᵉ siècle, quelques cristallographes à enregistrer des clichés de diffraction issus de cristaux en train de réagir, en isolant le pulse de rayons X issu d'un seul paquet d'électrons dans un synchrotron (Šrajer et al., 1996), donnant naissance à la cristallographie macromoléculaire résolue en temps (TR-MX). Cette approche a connu ses plus grands succès ces dix dernières années en lasers à électrons libres (XFEL), dont les pulses intenses (10¹⁵ photons) et brefs (quelques femtosecondes) ont permis l'émergence de la cristallographie sérielle femtoseconde (TR-SFX).
Le temps de faisceau en XFEL reste toutefois peu disponible, et le schéma pompe-sonde classique de la TR-SFX (initiation d’une réaction par un pulse femtoseconde de laser visible) est peu adapté aux protéines non photoactives (Caramello & Royant, 2024). S'y ajoute la difficulté d'analyser des données où la diffraction est issue de plusieurs états chimiques coexistant dans le cristal. Mes travaux de thèse, réalisés conjointement à l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble) et à l'Université de Hambourg sous la direction d'Antoine Royant et Arwen Pearson, ont donc visé à développer des méthodes et outils facilitant l'application de la TR-MX en synchrotron par des groupes non experts, chaque développement étant adossé à une question biologique concrète.
J'ai d'abord cherché à expliquer l'instabilité des propriétés optiques de la protéine fluorescente Cerulean, en élucidant comment son chromophore change de configuration sous l'effet du pH. J'ai pour cela développé l'icOS-toolbox, un logiciel libre de correction des artefacts optiques du milieu cristallin et d'analyse des spectres d'absorption UV-visible in crystallo (Caramello et al., 2025). En combinant ingénierie cristalline, TR-MX et piégeage par cryo-refroidissement de cristaux hors équilibre, j'ai identifié le réseau de liaisons hydrogène et le résidu contrôlant la configuration du chromophore selon le pH.
J'ai ensuite poursuivi l'étude d'un domaine photorécepteur (LOV2) dont l'activation (Fig. 1), avait été décrite par mon équipe (Aumonier et al., 2020). Je me suis intéressé au décalage temporel marqué entre la formation de l’état activé en quelques microsecondes (Swartz et al., 2001) et sa relaxation en plusieurs dizaines de minutes. Un protocole de collecte rapide de jeux de données (1,2 s d'exposition totale) à température ambiante, à différents délais après extinction d'une lampe bleue, a révélé le rôle d'une glutamine exerçant un rétrocontrôle actif sur l'état du cofacteur, ainsi qu'une transition de phase (Fig. 1) induite par la lumière et réversible (Aumonier et al., 2022).

Figure 1. Pseudo-photocycle du domaine LOV2 étudié par TR-MX sur quatre ordres de magnitude temporels (de 63 ms à 27 minutes). Tout d’abord avec la montée du photoadduit entre une cystéine et le cofacteur flavine du domaine LOV2, induisant le désordre d’une hélice alpha (modèle vert) jusqu’à un équilibre photostationnaire (PS), puis sa relaxation induisant une transition de phase (rupture de symétrie, modèle rouge). Figure issue de (Caramello & Royant, 2024).

Mon projet de thèse le plus ambitieux s'inscrit dans une collaboration internationale ayant capturé par TR-SFX le mécanisme complet de réparation de lésions de l’ADN induites par des UV par une photolyase de classe II. J'y ai implémenté une méthode d'analyse des cartes différence de densité électronique par décomposition en valeurs singulières (SVD), qui a validé objectivement le mécanisme proposé (Maestre-Reyna et al., 2023). J'ai ensuite étendu cette approche (Fig. 2) à l'étude d'un cryptochrome — photorécepteur à lumière bleue évolutivement proche des photolyases — pour élucider le couplage entre l'état rédox du cofacteur flavine et l'état signalisant, en combinant TR-SFX et spectroscopie d'absorption UV-visible transitoire in crystallo (Engilberge et al., 2024; Maestre-Reyna et al., 2025). J'ai enfin utilisé la cristallographie sérielle par oscillation résolue en temps (TR-SOX), mise au point dans mon équipe (Aumonier et al., 2020), pour observer la fin du photocycle du cryptochrome (Caramello et al., en revue) et caractériser les évènements structuraux formant le pont entre la rupture de liaisons chimiques à l'échelle sub-microseconde et la lente réorganisation de domaines à l’échelle de plusieurs secondes, observée par FRET, SAXS (Li et al., 2022) et spectrométrie de masse (Zangl et al., 2024).

Figure 2. Déconvolution par SVD de cartes différence de densité électronique. (a et b) Densité électronique différence des composantes pertinentes (superposées au modèle de l’état de base), pics négatifs en orange et positifs en bleu, montrant la déstabilisation de la partie droite de l’hélice α22 (lSV0) et un mouvement de décalage concerté de l’hélice (lSV1). (c) Trajectoire temporelle des composantes pertinentes. (d) Validation du nombre de composantes nécessaire par intégration de densité électronique.

Ces travaux trouvent des applications directes, tant dans la préparation d'une expérience de TR-MX par des méthodes complémentaires que dans l’analyse de ses résultats. Ils démontrent surtout que des approches accessibles sur des lignes de lumière MX classiques peuvent suffire à élucider des processus clés du vivant.

Références

• Aumonier, S., Engilberge, S., Caramello, N., von Stetten, D., Gotthard, G., Leonard, G. A., Mueller-Dieckmann, C. & Royant, A. (2022). IUCrJ 9, 756–767.
• Aumonier, S., Santoni, G., Gotthard, G., von Stetten, D., Leonard, G. A. & Royant, A. (2020). IUCrJ 7, 728–736.
• Caramello, N., Adam, V., Pearson, A. R. & Royant, A. (2025). J. Appl. Crystallogr. 58, 1068–1078.
• Caramello, N. & Royant, A. (2024). Acta Crystallogr. Sect. D 80, 60–79.
• Engilberge, S., Caramello, N., Bukhdruker, S., Byrdin, M., Giraud, T., Jacquet, P., Scortani, D., Biv, R., Gonzalez, H., Broquet, A., van der Linden, P., Rose, S. L., Flot, D., Balandin, T., Gordeliy, V., Lahey-Rudolph, J. M., Roessle, M., de Sanctis, D., Leonard, G. A., Mueller-Dieckmann, C. & Royant, A. (2024). Acta Crystallogr. Sect. D 80, https://doi.org/10.1107/S2059798323010483.
• Li, P., Cheng, H., Kumar, V., Lupala, C. S., Li, X., Shi, Y., Ma, C., Joo, K., Lee, J., Liu, H. & Tan, Y.-W. (2022). Commun. Biol. 5, 1103.
• Maestre-Reyna, M., Hosokawa, Y., Wang, P.-H., Saft, M., Caramello, N., Engilberge, S., Franz-Badur, S., Gusti Ngurah Putu, E. P., Nakamura, M., Wu, W.-J., Wu, H.-Y., Lee, C.-C., Huang, W.-C., Huang, K.-F., Chang, Y.-K., Yang, C.-H., Fong, M.-I., Lin, W.-T., Yang, K.-C., Ban, Y., Imura, T., Kazuoka, A., Tanida, E., Owada, S., Joti, Y., Tanaka, R., Tanaka, T., Kang, J., Luo, F., Tono, K., Kiontke, S., Korf, L., Umena, Y., Tosha, T., Bessho, Y., Nango, E., Iwata, S., Royant, A., Tsai, M.-D., Yamamoto, J. & Essen, L.-O. (2025). Sci. Adv. 11, eadu7247.
• Maestre-Reyna, M., Wang, P.-H., Nango, E., Hosokawa, Y., Saft, M., Furrer, A., Yang, C.-H., Gusti Ngurah Putu, E. P., Wu, W.-J., Emmerich, H.-J., Caramello, N., Franz-Badur, S., Yang, C., Engilberge, S., Wranik, M., Glover, H. L., Weinert, T., Wu, H.-Y., Lee, C.-C., Huang, W.-C., Huang, K.-F., Chang, Y.-K., Liao, J.-H., Weng, J.-H., Gad, W., Chang, C.-W., Pang, A. H., Yang, K.-C., Lin, W.-T., Chang, Y.-C., Gashi, D., Beale, E., Ozerov, D., Nass, K., Knopp, G., Johnson, P. J. M., Cirelli, C., Milne, C., Bacellar, C., Sugahara, M., Owada, S., Joti, Y., Yamashita, A., Tanaka, R., Tanaka, T., Luo, F., Tono, K., Zarzycka, W., Müller, P., Alahmad, M. A., Bezold, F., Fuchs, V., Gnau, P., Kiontke, S., Korf, L., Reithofer, V., Rosner, C. J., Seiler, E. M., Watad, M., Werel, L., Spadaccini, R., Yamamoto, J., Iwata, S., Zhong, D., Standfuss, J., Royant, A., Bessho, Y., Essen, L.-O. & Tsai, M.-D. (2023). Science 382, eadd7795.
• Šrajer, V., Teng, T., Ursby, T., Pradervand, C., Ren, Z., Adachi, S., Schildkamp, W., Bourgeois, D., Wulff, M. & Moffat, K. (1996). Science 274, 1726–1729.
• Swartz, T. E., Corchnoy, S. B., Christie, J. M., Lewis, J. W., Szundi, I., Briggs, W. R. & Bogomolni, R. A. (2001). J. Biol. Chem. 276, 36493–36500.
• Zangl, R., Soravia, S., Saft, M., Löffler, J. G., Schulte, J., Rosner, C. J., Bredenbeck, J., Essen, L.-O. & Morgner, N. (2024). J. Am. Chem. Soc. 146, 14468–14478.

La borazine est une molécule cyclique isoélectronique et isostructurale au benzène, constituée d’une alternance d’atomes de bore et d’azote. Toutefois, la forte polarisation de la liaison B–N confère à la borazine une faible aromaticité, caractérisée par une accumulation de densité de charge sur les atomes d’azote et une déplétion sur les atomes de bore.[1,2]
L’objectif de mon travail de thèse était, dans un premier temps, de synthétiser une première borazine fonctionnalisée par des radicaux libres, en l’occurrence des radicaux nitroxydes, molécule non rapportée dans la littérature à notre connaissance. Dans un second temps, ce travail visait à étudier l’influence du cœur borazine sur la délocalisation des électrons non appariés, à travers l’utilisation de méthodes classiques telles que la résonance paramagnétique électronique (RPE) et la magnétométrie SQUID, ainsi que de méthodes plus exploratoires comme la modélisation de la densité de charge et de spin, respectivement par diffraction des rayons X (DRX) et par diffraction de neutrons (DNP) sur monocristal.
À l’issue d’une synthèse multi-étapes, j’ai synthétisé une borazine fonctionnalisée sur les atomes de bore. Sa caractérisation structurale par DRX sur monocristal a révélé un pseudo-polymorphisme cristallin (phases α et β), dépendant du solvant de recristallisation, influençant la conformation moléculaire (angles de torsion des fonctions N–O), l’organisation supramoléculaire et, par conséquent, le comportement magnétique à l’état solide.
Pour la phase α, l’analyse conjointe de la structure cristalline et de l’évolution du produit de la susceptibilité magnétique en fonction de la température (χT) a permis de rationaliser les interactions d’échange et d’attribuer un état de spin fondamental S = 1/2. La molécule présente de très faibles interactions antiferromagnétiques intramoléculaires, dominées par une interaction antiferromagnétique intermoléculaire forte entre deux fonctions nitroxydes de molécules voisines.
La spectroscopie RPE à 80 K (EPR group – Université de Padoue), réalisée en solution gelée, révèle par ailleurs la coexistence d’espèces présentant des états de spin fondamental S = 1/2 et S = 3/2. Cela explique que différentes phases cristallines de ce cette molécule peuvent avoir des comportements magnétiques très différents.[3]

Figure 1. Représentation des interactions d’échange dominantes de la phase α associée à la variation thermique du produit de la susceptibilité magnétique par la température (χT).

Pour la phase β, la rationalisation des propriétés magnétiques à partir de la structure cristalline seule s’est révélée complexe. Des mesures DNP (ILL–Grenoble) ont donc été réalisées afin de déterminer la densité de spin et d’identifier les chemins d’interaction d’échange. Cette technique constitue une méthode de choix pour l’étude des relations structure–propriétés, car elle permet de visualiser la distribution de la densité de spin à l’échelle moléculaire.[4] Ces mesures ont mis en évidence deux types d’interactions entre des paires de radicaux nitroxydes dans les espaces interfeuillets. Une interaction ferromagnétique forte entre les radicaux les plus proches conduit à un état de spin S=1, tandis qu’une interaction antiferromagnétique forte entre deux radicaux plus éloignés éteint la contribution du troisième radical. Il en résulte un magnétisme à l’état solide correspondant à un spin résultant S = 1.

Figure 2. Carte de densité de spin (maximum d’entropie) de la phase β, représentant les chemins d’interactions magnétiques interfeuillets.

Nous nous sommes également intéressés à la détermination de la densité de charge par DRX haute résolution (ligne CRISTAL à SOLEIL–Paris Saclay) sur une borazine plus simple, la B-triméthyl-N-triphénylborazine, afin d’étudier l’effet des substituants sur la distribution électronique et l’aromaticité du cœur borazine. L’analyse topologique montre une organisation de la densité de charge en îlots, avec une accumulation sur les atomes d’azote et un appauvrissement sur les atomes de bore. L’analyse quantitative aux points critiques de liaison indique que la liaison B–N est nettement moins aromatique que celle du benzène, soutenu par la description des cartes de déformation statique qui révèlent que les doublets non liants de l’azote ne participent pas à la délocalisation des électrons π. En revanche, les orbitales pz vacantes des atomes de bore se recouvrent avec les orbitales pz des atomes de carbone des groupements phényles liés aux atomes d’azote, permettant ainsi d’expliquer la stabilité de cette dérivée de la borazine, malgré son faible caractère aromatique.

Figure 3. Représentation des cartes de Laplacian 3D et des cartes de déformation statique 3D expérimentales de la B-triméthyl-N-triphénylborazine.

Ainsi, la cristallochimie s’est révélée être un outil central tout au long de ma thèse, pour permettre la rationalisation des relations structure propriétés mais également à travers l’utilisation d’approche combinant des méthodes cristallographiques avancées pour la détermination expérimentale des densités électronique et de spin, permettant de révéler des informations inaccessibles à partir d’une structure cristallographique classique, même couplée à des mesures de magnétométrie.

Remerciements :
Ce travail a été rendu possible grâce au soutien de l’Université Claude Bernard Lyon 1, du LabEx IMUST et du réseau ARQUS, auxquels j’adresse mes remerciements.

Références
[1] R. Báez-Grez, R. Pino-Rios, “The hidden aromaticity in borazine” RSC Adv. 2022, 12, 7906–7910.
[2] Y. Wu, X. Yan, Z. Liu, T. Lu, M. Zhao, J. Xu, J. Wang, “Aromaticity in Isoelectronic Analogues of Benzene, Carborazine and Borazine, from Electronic Structure and Magnetic Property” Chemistry – A European Journal 2024, 30, DOI 10.1002/chem.202403369.
[3] S. Grenda, N. Claiser, A. Barbon, F. Guégan, B. Toury, D. Luneau, “An Open-Shell Functionalization of Inorganic Benzene” J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 32906–32911.
[4] D. Luneau, B. Gillon, “Polarized Neutron Diffraction: An Excellent Tool to Evidence the Magnetic Anisotropy—Structural Relationships in Molecules” Magnetochemistry 2021, 7, 158.

Dans le cadre de la recherche permanente de nouvelles propriétés des matériaux qui pourraient présenter un intérêt fondamental et applicatif, l’étude des diagrammes de phase doit être la plus exhaustive possible. Pour ce faire, de nombreux paramètres sont couramment modifiés pour accéder aux paramètres physiques des matériaux : température, pression, champs magnétiques et électriques, dopage ou substitution chimique. Récemment, de nouvelles voies pour appliquer des contraintes anisotropes uni-axiales ont été développées [1, 2], générant de nombreux effets sur divers cristaux électroniques [3]. C’est dans ce cadre que prennent place mes travaux de thèse. Celle-ci a été réalisée au sein du Laboratoire de Physique des Solides (L.P.S) à Orsay sous la direction de Vincent Jacques et David Le Bolloc’h. Elle porte sur le développement d’un équipement expérimental permettant d’appliquer une contrainte mécanique uni-axiale ou biaxiale, sur des monocristaux ou des polycristaux à température cryogénique. De façon plus générale, ce développement expérimental s’inscrit dans une démarche de l’étude du lien entre la structure cristalline et les propriétés électroniques des cristaux en appliquant des contraintes anisotropes, notamment des composés de basse-dimensionnalité présentant une ou plusieurs instabilités électroniques ondes de densité de charge (ODC). Elle s’inscrit dans une approche originale, combinant l’utilisation de la diffraction des rayons X (DRX) en laboratoire et en grands instruments pour sonder l’évolution de la structure cristalline ainsi que la distorsion périodique du réseau cristallin associée à l’ODC et l’utilisation de mesures de résistivité pour suivre le pendant électronique des transitions, en particulier la température de transition ODC. La thèse est scindée est 3 parties :

La première partie est dédiée à la description et à la caractérisation du dispositif expérimental utilisé pour déformer les différents cristaux étudiés lors de cette thèse. Celui-ci est unique et a été conçu et réalisé au L.P.S. Celui-ci est en forme de croix, monté sur un cryostat sur lequel repose l’échantillon et permet de le déformer dans deux directions perpendiculaires, sur une large gamme de température. Il est surmonté d’un dôme en PEEK, transparent aux rayons X, permettant les mesures de diffraction.

Figure 1. Photographies du dispositif expérimental de traction biaxiale. A gauche, avec le dôme en PEEK (en haut) et sans (en bas). Au milieu, avec le dôme en PEEK, surmonté d’une caméra pour des mesures de corrélation d’images. A droite : zoom sur la partie échantillon avec un échantillon collé sur un substrat déformable en Kapton, inset en bas à gauche, vue de haut de l’échantillon de TbTe3, collé sur le Kapton, reposant sur le doigt froid du cryostat.

Figure 2. Gauche : Maille élémentaire de TbTe3. La structure cristalline est constituée d’une alternance de blocs de TbTe et de plans quasi-carrés de Te dans lesquels se développe l’ODC. L’empilement se fait dans la direction b, perpendiculaire au plan (a-c). Droite : Diagramme de phase Température-a/c illustrant la transition de phase orientationnelle et la coexistence. Inset gauche : Plan K = 18 de l’espace réciproque de TbTe3 montrant les réflexions associées au réseau (Bragg peak) et celles liées à l’ODC dans l’état non déformé (Satellite peaks). Inset droit : Photographie d’un échantillon de TbTe3.