Simulations de dynamique moléculaires du complexe collecteur de lumière de type 2 d’une bactérie pourpre dans différents environnements micellaires et membranaire

Molecular Dynamics Simulations of the light-harvesting 2 (LH2) complex of a purple bacterium in micellar and membrane environments

• Auteur / Autrice : Esra Karakas
• Direction : Bruno Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 09/05/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Institut de Biologie Intégrative de la Cellule / I2BC
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Miroux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : James N. Sturgis, Richard Cogdell
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Baaden, James N. Sturgis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion centrale

Membranes lipidiques

Micelles

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Dynamique moléculaires

Complexe LH2

Micelle

Membrane

Molecular dynamics

LH2 complex

Micelle

Membrane

Résumé

Les bactéries photosynthétiques pourpres comme Rhodopseudomonas acidophila (strain 10050) disposent pour collecter la lumière d’un appareil photosynthétique constitué de complexes protéiques membranaires avec des pigments spécialisés. Cet appareil photosynthétique comprend deux types de collecteurs de lumière (light harversting ou LH) appelés LH1 et LH2 et d’un centre réactionnel (CR). La lumière est principalement absorbée par des pigments photosynthétiques liés au complexe LH2 et l'énergie d'excitation résultante est ensuite transférée au complexe LH1 et, de là au centre réactionnel où elle est transformée en énergie chimique. Les données de cristallographie ont permis de montrer que le complexe LH2 se compose d'un ensemble de 9 sous-unités parfaitement symétriques constituées de deux petites sous-unités protéiques α et β associées à 1 caroténoïde (rhodopine glucoside) et 3 bactériochlorophylles-a. Des expériences de spectroscopie de fluorescence en fonction du temps effectuées sur des complexes LH2 uniques ont montré que l'intensité et la position de transition électronique du complexe pouvaient fortement fluctuer avec le temps. Ces observations décrivent un « désordre dynamique » en lien avec la fonction biologique du complexe LH2, qui montre une efficacité d’utilisation de l’énergie lumineuse. Même si un grand nombre d’études met en avant l’existence de ce « désordre » pour interpréter les données expérimentales de fluorescence, peu de travaux ont examiné au niveau moléculaire, les fluctuations locales ou globales au sein du complexe LH2 qui gouvernent ce désordre. La description moléculaire du désordre dynamique du complexe LH2 permettra une compréhension plus précise de ces complexes capables d’utiliser l’énergie solaire avec une grande efficacité, et sont donc d’une grande importance pour la mise en place de systèmes de production d’énergie renouvelable.L’objectif de ce projet de thèse est de mieux comprendre l’origine de ce « désordre » à l’échelle atomique en employant des approches de dynamiques moléculaires classiques. Pour ce faire, nous avons modélisé le complexe LH2 dans différents environnements biomimétiques constitués de détergents (dimethyldodecylamine-N-oxide (LDAO) et le beta octyle glucoside (bOG)) et d'une membrane de POPC. Une première partie de ce travail a consisté à développer des modèles originaux pour ces détergents ainsi que les différents composants du complexe, et à examiner l'agrégation des molécules de détergents autour du complexe. Pour valider nos modèles, des expériences de diffraction des rayons X aux petits angles (SAXS) ont été réalisées avec les complexes LH2-LDAO et LH2-βOG. Dans un second temps, nous avons plus spécifiquement étudié les interactions peptide-pigment,pigment-pigment en fonction de l’environnement. Nos résultats ont montré des différences significatives concernant la dynamique du complexe et les interactions pigment-pigment et pigment-protéine en fonction de l'environnement. Enfin, afin de relier les variations des interactions entre les différents composants du complexe décrits dans nos simulations, aux variations d’absorption du complexe LH2 et au désordre dynamique, des calculs ab-initio ont été réalisés à partir de structures atomiques représentatives de nos simulations.

Purple photosynthetic bacteria, such as Rhodopseudomonas acidophila (strain 10050), have a synthetic apparatus which is composed by membrane protein complexes with specialized pigments to harvest the light. This photosynthetic apparatus is composed of 2 types of light harvesting (LH) complex called LH1 and LH2, and a reactional center (RC). The light is mainly absorbed by photosynthetic pigments bounded to LH2 complex and the resulting excitation energy is transferred to LH1 complex, then to RC where it is transformed to chemical energy. The crystallography data allowed to show that the LH2 complex is composed of a perfectly symmetrical 9 sub-unit ensemble, formed by 2 small protein sub-unit α and β associated to 1 carotenoid (rhodopine glucoside) and 3 bacteriochlorophylls-a. The spectroscopy fluorescence experiences carried out as a function of time on unique LH2 complexes shown that the intensity and the position of the electronic transition of complexes can strongly fluctuate with the time. These observations describe a « dynamic disorder » linked with the biological function of the LH2 complex, which reveal the efficiency of the use of light energy. Even if the large number of studies highlight the existence of this « disorder » to interpret experimental data of fluorescence, a few number of studies analyzed at molecular level the local or global fluctuations inside of LH2 complex which govern this disorder. The molecular description of the dynamic disorder of LH2 complex will permit more precise comprehension about the ability to use of solar energy of these complexes with a huge efficiency, and thus, they are very important for setting up the sustainable energy production system.The aim of this project thesis is a better understanding the origin of this « disorder » at atomic scale by using classical molecular dynamics approaches. In order to do this, we modeled the LH2 complex in different biomimetic environments composed of detergents (dimethyldodecylamine-N-oxide (LDAO) and the β octyle glucoside (βOG)) and of POPC membrane. The first part of this study consisted in developing original models for these detergents, as well as for the different components of the LH2 complex, and to analyze the aggregation of detergent molecules around the complex. To validate our models, small angle X-ray scattering (SAXS) experiments have been realized with the LH2-LDAO and LH2-βOG complexes. In the second part, we specifically studied the interactions of peptide-pigment and pigment-pigment depending on the environment. Our results revealed significant differences concerning the dynamic of the complex and the interactions of pigment-pigment and pigment-protein depending on the environment. In the end, in order to relate the variations of interactions between the different components of complex, as described in our simulations, to the variations of absorption of the LH2 complex and to dynamic disorder, ab-initio calculations have been done from the representative atomic structures of our simulations.