Recalage flexible de modèles moléculaires dans les reconstructions 3D de microscopie électronique

Flexible fitting of molecular models into EM 3D reconstructions

• Auteur / Autrice : Gael Goret
• Direction : Jorge Navaza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et nanobiologie
• Date : Soutenance le 26/09/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Gilbert Deléage
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jorge Navaza, Stefano Trapani, Juan Rodriguez-Carvajal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Christophe Taveau, Jean Lepault

Mots clés

Mots clés libres

Recalage

Microscopie Électronique

Cristallographie

Assemblage Macromoléculaire

Environnement Graphique

Logiciel

Fitting

Electron Microscopy

Crystallography

Macromolecular Assembly

Graphical Environment

Software

Résumé

Aujourd'hui, la cristallographie de macromolécules produit couramment des modèles moléculaires à résolution atomique. Cependant, cette technique est particulièrement difficile à mettre en œuvre, dans le cas de complexes de taille importante. La microscopie électronique permet, elle, de visualiser des particules de grande taille, dans des conditions proches de celles in vivo. Cependant, la résolution des reconstructions tridimensionnelles obtenues exclut, en général, leur interprétation directe en termes de structures moléculaires, étape nécessaire à la compréhension des problèmes biologiques. Il est donc naturel d'essayer de combiner les informations fournies par ces deux techniques pour caractériser la structure des assemblages macromoléculaires. L'idée est de positionner les modèles moléculaires déterminés par cristallographie à l'intérieur de reconstructions 3D issues de la microscopie électronique, et de comparer la densité électronique associée à la reconstruction 3D avec une densité électronique calculée à partir des modèles. Le problème numérique réside dans la détermination et l'optimisation des variables qui spécifient les positions des modèles, considérés comme des corps rigides, à l'intérieur de l'assemblage. Cette idée simple a donné lieu au développement d'une méthode appelée recalage. Ce travail de thèse a eu pour but de fournir aux biologistes un outil, basé sur la méthode du recalage, qui leurs permette de construire des modèles pseudo-moléculaires associés aux assemblages produits par microscopie électronique. Le logiciel issu de ce travail, nommé VEDA est un environnement graphique convivial, intégrant la possibilité de recalage flexible, et un moteur de calcul performant (calcul rapide, traitement de symétries complexes, utilisation de grands volumes, ...). Testé sur des dizaines de cas réels, VEDA est aujourd'hui pleinement fonctionnel et est utilisé par un nombre croissant de chercheurs, en France et à l'étranger qui lui reconnaissent tous facilité d'utilisation, stabilité, rapidité et qualité des résultats.

Today, macromolecular crystallography commonly produces molecular models at atomic resolution. However, this technique is particularly difficult to implement in the cases of large complexes. Electron microscopy allows for the visualization of large particles under conditions similar to those in vivo. However, the resolution of three-dimensional reconstructions obtained by electron microscopy does not allow, in general, the direct interpretation of molecular structures, a necessary step in understanding biological problems. Therefore, it is natural to try to combine information provided by these two techniques to characterize the structure of macromolecular assemblies. The idea is to place the molecular models determined by crystallography inside electron microscopy 3D reconstructions, and compare the electron density associated to the 3D reconstruction with an electron density calculated from the models. The numerical problem is the determination and the optimization of the variables that specify the positions of the models, considered as rigid body, inside the assembly. This simple idea has led to the development of a method called fitting. This thesis aims to provide biologists with a tool, based on the method of fitting, that allows them to build pseudo-molecular models associated to the assemblies produced by electron microscopy. The software resulting from this work, named VEDA, has a user-friendly graphical environment, includes the possibility of flexible fitting, and implements a powerful calculation core (fast computation, treatment of complex symmetry, use of large volumes, etc.). Tested on dozens of real cases with experimental data sets, VEDA is now fully functional and is used by a growing number of researchers in France and abroad. All of the users have recognized ease of use, stability, speed, and quality of results of VEDA. STAR