Investigation de la durabilité des structures protéiques et bio-inspiration pour les systèmes urbains

Investigation of protein structure sustainability and bio-inspiration for urban systems

• Auteur / Autrice : Lorenza Pacini
• Direction : Claire Lesieur, Laurent Vuillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie pour le vivant
• Date : Soutenance le 24/09/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Schabanel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Lesieur, Laurent Vuillon, David M. Leitner, Ozlem Keskin, Luisa Di Paola, Maggy Hologne, Christophe Ménézo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David M. Leitner, Ozlem Keskin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durabilité (écologie)

Tissu urbain

Séquence des acides aminés

Architecture et biologie

Mots clés libres

Durabilité

Structure protéique

Structure urbaine

Biomimétisme

Analyse de réseaux

Systèmes complexes

Mutation d'acides aminés

Dynamique protéique

Sustainability

Protein structure

Urban structure

Biomimicry

Network analysis

Complex systems

Amino-acid mutation

Protein dynamics

Résumé

Les protéines sont durables car elles conservent la fonction dans le temps et dans différentes conditions. Comme première approximation du comportement fonctionnel, nous étudions comment la conception de la structure assure la durabilité, en nous concentrant sur le problème du diagnostic des perturbations structurales et dynamiques causées par les mutations des acides aminés, composants élémentaires des protéines. Cette question est pertinente pour déchiffrer comment les maladies résultent des mutations. Nous ouvrons également la possibilité de concevoir des systèmes urbains durables bio-inspirés des protéines. Protéines et villes sont modélisées par des réseaux spatiaux pondérés qui mesurent l'occupation de l'espace par acides aminés et bâtiments, respectivement. Cela permet d'inférer l'espace vide disponible pour la dynamique. Les protéines ont de l’espace vide que nous supposons être exploité pour accueillir des mutations. En revanche, dans la ville, un encombrement élevé est présent, suggérant une non-durabilité spatiale (impossibilité de changer). Nous vérifions la relation entre encombrement local et impact des mutations sur la structure et la dynamique des protéines. Nous constatons que les mutations conservant l'intégrité structurale nécessitent un réarrangement des liens à diverses échelles qui va perturber la dynamique de la protéine en fonction du niveau structural impacté (2D, 3D, 4D). Nous proposons un outil pour décrire la direction des perturbations et extraire l'impact de mutations multiples agissant collectivement. Ce travail contribue au décodage du design pour la durabilité des protéines, ouvrant des perspectives dans les domaines de la biomédecine et la conception de systèmes bio-inspirés durables.

Proteins are sustainable as they keep their function in time and in different conditions. As a first approximation of functional behavior, we investigate how the structure design yields sustainability, concentrating on the problem of diagnosing of structural and dynamical perturbations caused by mutations of amino-acid, basic components of proteins. This is relevant to decipher how diseases arise from mutations. We also open the possibility of designing sustainable urban systems bio-inspired from proteins. Proteins and cities are modeled using weighted spatial networks that measure space occupancy by amino acids and buildings, respectively. This allows inferring the empty space available for the dynamics. Proteins have empty space that we assume to be exploited for the accommodation of mutations. In contrast, in the city high packing is present, suggesting spatial unsustainability (impossibility to change). We verify the relation between local packing and the impact of mutations on the protein structure and dynamics. We find that mutations keeping structural integrity require links rearrangement at diverse scales that will perturb the protein dynamics depending on the impacted structural level (2D, 3D, 4D). We propose a tool to describe the direction of the perturbations and extract the impact of multiple mutations acting collectively. This work contributes to the decoding of the protein's design for sustainability, opening perspectives in the fields of biomedicine and the design of sustainable bio-inspired systems.