Dynamics of crystalline proteins by Solid-State NMR

• Auteur / Autrice : Julien Sein
• Direction : Lyndon Emsley
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : École normale supérieure (Lyon ; 1987-2009)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

Angle magique

Résumé

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) à l'état solide permet d'étudier la structure et la dynamique d'échantillons protéiques. En premier lieu nous expliquons les mécanismes entrant en jeu lors d'une expérience INADEQUATE (Incredible Natural Abundance Double Quantum Transfer Experiement) refocalisée à 3 spins. Nous proposons une méthode basée sur des filtres z permettant d'éliminer les cohérences à zéro quanta afin d'obtenir des spectres purement en phase. Puis, nous utilisons l'expérience SPECIFIC CP (SPEctrally Induced FILtrering in Combination with Cross polarization) sélective, qui combinée à la rotation ultra-rapide à l'angle magique et à des puissances faibles pour les étapes de CP nous permet d'acquérir des spectres haute résolution d'échantillons microcristallins des protéines SOD et GB1. Dans une deuxième partie, nous développons le modèle théorique de diffusion dans un cône pour la liaison NH afin de déterminer quantitativement les paramètres d'amplitude et de temps du mouvement de ce mouvement par relaxation. Dans une troisième partie, nous mesurons la dynamique dans régime temporel intermédiaire étudiés grâce à la mesure de couplages dipolaires résiduels. Enfin, l'hypothèse de mouvements corrélés est explorée, et la contribution éventuelle de tels mouvements à la relaxation nucléaires est simulée. Grâceà des comparaisons avec les modèles de mouvements issus de la cristallographie, des amplitudes de mouvements sont prédites, et différentes simulations montrent que la présence de ces mouvements aurait une contribution non négligeable sur les mesures de relaxation en solide.

Solid-State Nuclear magnetic Resonance (SSNMR) requires advanced experimental methods for structural and dynamic investigations of proteins. In this thesis, first we describe the behavior of a three-spin system during the refocused INADEQUATE (Incredible Natural Abundance Double Quantum Transfer Experiment) experiment and propose a method that leads to pure in-phase spectra, with the help of z-filters. We also demonstrate a method for achieveing high-resolution heteronuclear correlations of microcrystalline samples by employing the band-selective 1H-13C SPECIFIC CP (SPEctrally Induced FILtrering in Combination with Cross-Polarization), and taking advantage of ultraé-fast (>60 kHz) Magic-Angle Spinning (MAS) and low Cross-Polarization (CP). Moreover, site-specific longitudinal relaxation is used as a direct probe of local dynamics. We present a theoretical model to describe the contribution of the 15N-1H dipolar interactions and the 15N CSA to the spin-lattice relaxation. We estimate quantitatively local dynamics from longitudinal relaxation measurement. The influence of MAS rate on the longitudinal relaxation is investigated on a model protein. Crh. In a third part, we analyze intermediate timescale measurement by comparison between relaxation and residual dipolar coupling studies. Finally, contribution of anisotropic collective motions (ACM) to spin-lattice relaxation in the crystal is investigated with a newly developed model. Simulations show that ACM can contribute significantly to longitudinal relaxation and that the development of a new model combining local and collective motions in microcrystalline proteins is needed.