First principles and proceedings of action-FRET : probing the molecular conformation of gas phase proteins and macro-ions

par Geoffrey Knight

Thèse de doctorat en Chimie physique

Sous la direction de Philippe Dugourd et de Luke Mac Aleese.

Soutenue le 13-11-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Lumière Matière (laboratoire) .

Le président du jury était Claire Demesmay-Guilhin.

Le jury était composé de Philippe Dugourd, Jean-Christophe Poully.

Les rapporteurs étaient Pascal Gerbaux, Laurence Charles.

  • Titre traduit

    Premiers principes et procédures d'action - FRET : analyse de la conformation moléculaire des protéines en phase gazeuse et macro-ions


  • Résumé

    Mon travail de thèse aborde différents développements physico-chimiques qui reposent sur le principe de transfert d'énergie par résonance de Foster (FRET). Le but est de parvenir à étudier et caractériser des assemblages moléculaires ainsi que des changements structurels de biomo-lécules (ou macro-ions) en phase gazeuse. Le transfert d'énergie par résonance de type Förster est un procédé par lequel de l'énergie s'échange de manière non radiative entre un chromo-phore dit donneur dans un état excité et un second chromophore accepteur en proximité di-recte. Conventionnellement, cette technique permet de localiser et déterminer l'écart entre deux molécules (de l'ordre de 10 à 100nm). Principalement utilisée pour étudier des systèmes biologiques, des résultats marquants ont été obtenus sur l'étude de système tel que l'appareil de Golgi, le cytosquelette ou les membranes cellulaires. Elle n'est cependant appliquée qu'à des systèmes en phase liquide. Il nous a paru intéressant de transposer cette technique en phase gazeuse, en utilisant la capacité des spectromètres de masse à sélectionner, isoler et activer des espèces moléculaires, nous permettant d'obtenir de nouvelles informations structurelles. Une grande partie de ma thèse a consisté à premièrement, valider le concept de FRET en phase gaz puis à développer et optimiser, la technique FRET dit ‘d'action'. L'Action-FRET est une tech-nique d'analyse par couplage de spectrométrie de masse et spectroscopie LASER mise au point par l'équipe Spectrobio afin d'étudier les molecules isolées en phase gazeuse. A travers ce dis-positif, je me suis particulièrement investi à contrôler, étudier et caractériser l'évolution des conformations de biomacromolécules d'intérêt biochimique et biologique. Dans une première partie je ferai une courte introduction générale sur les fondamentaux des protéines, de leur composition et élaboration en entités structurelles complexes, diverses et fonctionnelles. La manière dont les protéines s'arrangent successivement en niveaux structural quaternaire est aussi décrite. La deuxième partie est consacrée à une présentation des chromo-phores utilisés. Je présente ensuite leurs utilisations et détaille la synthèse des édifices molécu-laires produits pour réaliser les expériences de FRET. Ceux-ci sont constitués de composés bio-logiques (peptides ou protéines), couplés aux chromophores, (donneur-accepteur). Dans le contexte de ce chapitre se trouve également une discussion sur les mécanismes et produits uti-lisés lors de l'étape de conjugaison qui permet d'obtenir les composants désirés. En troisième partie vient un chapitre qui relate le fonctionnement des appareils utilisés dans le montage expérimental; le LASER et le spectromètre de masse. La méthode de couplage est dé-crite et spécifiée, détaillant comment les appareils commerciaux ont été modifiés pour interagir avec l'un avec l'autre. Avec ce nouveau montage, un suivi de la signature optique de FRET ap-partenant aux protéines entières greffées et à différents états de charge a été possible. Le quatrième chapitre est dédié dans les premières sections à la théorie et l'état de l'art en ce qui concerne le FRET. Les éléments emblématiques et leurs applications en solution de ces der-nières années et les travaux plus récents en phase gazeuse y sont présentés. Par ailleurs, nous avons voulu démontrer dans ce chapitre que nos diverses manipulations ont l'avantage critique de ne pas dépendre d'une mesure de l'émission de lumière suite au transfert résonant d'éner-gie. A la place, on dispose de la fragmentation spécifique de l'ion piégé du chromophore à tra-vers l'analyse de masse conventionnelle du spectromètre de masse pour détecter et quantifier une manifestation de FRET. Nous démontrerons aussi la possibilité cette méthode appliquée à la biologie moléculaire... [etc]


  • Résumé

    In this thesis, I discuss the application and development of mass spectrometry (MS) - LASER coupled techniques for the characterization and measurement of trapped biomolecules in the gas phase. In broad terms, this thesis demonstrates the potential and perspectives of action-FRET a novel structural biology tool amenable to the gas phase. The fundamentals rely on a well attested resonance quantic process known as Förster resonance energy transfer (FRET). As of yet it has been a widely utilized method to scrutinize molecular structure in solution. The mo-tivation has been to transpose this occurrence to the instrumental settings of a mass spectrom-eter, its gas confinement and, in doing so, overcome the earlier limitations of the technique and stride into the theoretical and experimental study of well determined systems as well as those whose structure were presently undetermined - all without the influence of the environment of a solvated medium. The first chapter of this thesis offers a general overview on peptides and proteins plus how they can be studied. Subsequent chapters include how the work carried out herein ads towards their study, moving the technique towards a gold standard of native mass spectrometry (native MS). In the second chapter, a treatment of the synthetic steps and preparations is given detailing the mechanistics of the reactions at play and above all outlining the experimental procedures and providing any information on any observations made. The third chapter describes, and is devoted to an introduction of the instrumental setup outlaid as it stands giving an account on the LASER, optical pieces and the mass spectrometer employed throughout the course of this thesis, effectively setting the premises of thought and understand-ing for subsequent chapters and methodology. Chapter four presents energy transfer, in particular to the Foster Resonance Energy Transfer and furthermore outlines the developed technique central to the mass spectrometry method to look at donor-acceptor chromophores espoused to biomolecular systems and their photofrag-ments — what is nicknamed as action-FRET. Chapter five reviews and discusses the study of a macromolecule: Ubiquitin, by action-FRET. The first gas phase experiment on the protein to have ever been realised. The information and content gathered from this adapted experiment is compared to work found elsewhere giving an appraisal on the potential of action-FRET and providing an idea to what future insights the technique could bring. In chapter six the reader is introduced to the project of establishing action-FRET in the negative mode of the mass spectrometer’s ionization source as opposed to its positive mode. Suitable pairs of donor-acceptor chromophores to validate the energy transfer under a negative regime were explored. These where profiled and characterized before being adapted to a biomolecular system. The results provide a different flavor of complimentary structural and conformation information, the first of its kind for negative mode action-FRET. The seventh and final chapter is devoted to future developments. The conclusive work tends to grant a further understanding of neurodegenerative diseases that afflict our societies. Chiefly that of the likes of Alzheimer’s: it’s the mechanism of action pertinent to other neurodegenera-tive pathologies; Parkinson’s, Huntington’s but also prion diseases or amyloid neuropathy. In doing so a contribution is presented on a way to trace a strategy in how to tackle and treat such diseases


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