Contrôle magnétogénétique des voies de signalisation intracellulaire

Magnetogenetic Control of Intracellular Signaling Pathways

• Auteur / Autrice : Chiara Vicario
• Direction : Mathieu Coppey, Maxime Dahan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique des Cellules et Cancer (Paris ; 2024-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zoher Gueroui, Jean-François Berret
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valérie Marchi, Giovanni Cappello

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarité (biologie)

Imagerie en biologie

Nanoparticules

Mots clés libres

Magnetogénétique

Nanoparticules

Magnetisme

Polarité cellulaire

Signalisation

Imagerie biologique

Magnetogenetics

Nanoparticles

Magnetism

Résumé

Le contrôle de l'organisation spatiotemporelle des biomolécules à l'intérieur des cellules vivantes est fondamental pour déchiffrer les mécanismes qui règlent les voies de signalisation cellulaire et leur régulation. Dans ce projet de thèse nous présentons une nouvelle méthode pour induire une perturbation très spécifique et locale des voies de signalisation à l'intérieur des cellules vivantes: la magnétogénétique. Elle est basée sur l'utilisation de nanoparticules magnétiques biofonctionnalisée, pour induire et maintenir des gradients de protéines à l'intérieur des cellules vivantes.Nous avons modifié la taille et la surface de deux différentes types de particules, les nanoparticules superparamagnétiques synthétiques avec couche de silice et les nanoparticules basées sur la protéine GFP-ferritine, afin d'assurer une mobilité libre dans le cytosol. Ces nanoparticules peuvent être localisées rapidement dans les cellules vivantes grâce à leur diffusion biaisée par des forces magnétiques faibles, dans l'ordre du fN. En combinaison avec une fonctionnalisation de surface spécifique pour la capture des protéines d'intérêt ainsi que un chargement efficace des nanoparticules dans le cytoplasme, nous présentons une technologie capable de contrôler des gradients de protéines intracellulaires avec une résolution spatiale du micromètre et une résolution temporelle de quelques dizaines de secondes.Dans ce travail nous avons montré la possibilité de contrôler avec précision la perturbation des voies de signalisation associées aux petites protéines Rho GTPases et nous avons quantifié la propagation du signal en termes de recrutement des effecteurs et des changement morphologiques.

Controlling the spatio-temporal organization of biomolecules inside living cells is a major rerequisite for deciphering mechanisms governing cell signaling and its regulation. In this thesis project, a new method to induce a highly specific and local perturbation of signaling pathways inside living cells is presented: magnetogenetics. It is based on the use of biofunctionalized magnetic nanoparticles, to induce and maintain protein gradients inside living cells. We tailored the size and surface properties of both synthetic silica core shell nanoparticles and superparamagnetic GFP-ferritin-based nanoparticles in order to ensure unhindered mobility in the cytosol. These nanoparticles can be rapidly localized in living cells by exploiting biased diffusion at weak magnetic forces in the fN range. In combination with nanoparticles' surface functionalization for specific in situ capturing of target proteins as well as efficient delivery into the cytosplasm, this work presents a novel technology for controlling intracellular protein gradients with a spatial resolution of micrometers and a temporal resolution of a few tens of seconds. In this work we showed the possibility to precisely control the perturbation of the signaling pathways associated to the small Rho GTPases proteins with relative quantification on signal propagation in terms of effector recruitment and morphological changes.