Étude physique de nanoassemblages biologiques de géométrie cylindrique : Effets de pression et couplage mécano-chimique sur des microtubules et des tubes de membrane

Physical study of nanotubular biological assemblies : Pressure effects and mechano-chemical coupling of microtubules and tubular lipid membranes

• Auteur / Autrice : Sylvain Monnier
• Direction : Vladimir Lorman, Andrea Parmeggiani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules (Montpellier)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions protéine-protéine

Membranes lipidiques

Microtubules

Mots clés libres

Microtubule

Pression

Tube de membrane

Tubuline

Interactions proteine-membrane

Etude de stabilité

Résumé

Les microtubules sont des filaments du cytosquelette présents dans une grande majorité de types cellulaires. Ils sont impliqués dans des processus fondamentaux tels que la mitose ou le trafic cellulaire. Ce sont des cylindres dynamiques résultant de l'auto-assemblage hors équilibre thermodynamique de dime��res de tubuline. Nous avons analysé par des méthodes spectroscopiques l'effet de la pression hydrostatique sur la stabilité et l'état d'agrégation de la tubuline, ainsi que sur la formation et la stabilité des microtubules. Nous avons pu mettre en évidence que la pression agit à différentes échelles spatiales et temporelles. Elle peut dissocier les oligomères ou les dimères de tubuline en fonction de leur concentration en solution. La pression influence la dynamique d' assemblage et peut induire le désassemblage des microtubules. Les cinétiques de réaction permettent de comprendre les différents effets de la pression sur ces assemblages protéiques complexes. Les membranes biologiques forment souvent des tubes intra et extra cellulaires et participent activement au trafic cytoplasmique. Par une approche théorique, nous étudions les propriétés élastiques et la stabilité de tubes lipidiques sous des contraintes de force et de pression. Nous montrons qu'il existe un domaine de force et de pression dans lequel le tube est stable. Ce domaine est borné par deux types d'instabilités, en compression et en traction, le second s'apparentant à des instabilités dites de « perlage ». Cette description théorique nous permet aussi de modéliser l'effet de l'adsorption de protéines sur le tube. La proximité des instabilités induit des effet résonnants la désorption collective des protéines. Nous montrons aussi que des interactions protéine-protéine à longue portée sont médiées par le champ des contraintes de la membrane du tube, ce qui contribue au processus de nucléation de complexe de protéines à cette surface.

Microtubules are major constituents of cell cytoskeleton, they are highly dynamic cylindrical structures resulting of tubulin dimer self-assembly. They play fundamental role in cellular processes such as mitosis or cell trafficking. Using spectroscopy methods we studied the stability and aggregation properties of tubulin dimers and microtubules under hydrostatic pressure constraint. We show that pressure can dissociate tubulin oligomers or dimers in a concentration dependent manner. Hydrostatic pressure modifies microtubule polymerization properties and induces depolymerization. The study of tubulin reaction kinetics provides further understandings of the effect of hydrostatic pressure on this complex protein assembly. Biological membranes can form intra- and extra-cellular tubes which play fundamental roles in cytoplasmic trafficking. Using a theoretical approach, we studied the mechanical properties of tubular lipid membrane (TLM) under force and pressure difference constraints. We show the existence of a stability domain of the TLM whose boundaries define two kinds of instabilities. The first instability appears under a compressive force, while the second under a stretching force. For higher streching forces, radial fluctuations lead to tube shape with similarities with the “pearling” instability. This theoretical framework allows us to study protein adsorption and protein-protein interactions on a TLM. Instabilities induce a resonant behavior of the tube leading to global desorption of the adsorbed proteins. We also show long range protein-protein coupling mediated by the stress field in the tube membrane. This behavior can describe the process of protein cluster nucleation on a tubular membrane