Etude de bicouches lipidiques amarrées destinées à l'incorporation de protéines membranaires

Investigation of tethered lipid bilayer systems for membrane protein incorporation

• Auteur / Autrice : Sebastian Köhler
• Direction : Donald Martin, Marco Maccarini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 26/06/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (La Tronche, Isère, France ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Judith Peters
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tommy Nylander
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jayne Lawrence, Thierry Charitat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lipides des membranes

Lipides -- Métabolisme

Mots clés libres

Bicouches lipidiques

Réflectométrie neutronique

Protéines membranaires

Lipid bilayers

Neutron reflectometry

Membrane proteins

Résumé

Cette thèse a pour but l’étude de la structure des membranes lipidiques bicouches attachées, qui sont des bicouches lipidiques greffées chimiquement sur une surface plane. Ces systèmes, comparés à d'autres systèmes de membranes modèles, présentent une stabilité accrue, mais leur structure est plus complexe, nécessitant une étude approfondie. La structure des bicouches lipidiques attachées est fortement influencée par l'architecture moléculaire des composés utilisés pour greffer la bicouche lipidique à la surface. Cette thèse porte sur l’étude de deux systèmes d'attache des bicouches lipidiques. Le premier système est une bicouche lipidique attachée à une surface d’or utilisant une seule chaîne alkyle pour ancrer la membrane. Le second système utilise une structure moléculaire synthétique semblable à un lipide pour ancrer la membrane et lie à une surface de silicium par chimie du silane. Cette thèse a trois objectifs pour ces systèmes d'attache: (i) étudier les bicouches attachées avec des fractions élevées de cardiolipine lipidique, (ii) étudier la structure des membranes attachées sur une surface via l’utilisation de différentes molécules de greffage, et (iii) étudier l'incorporation de la protéine membranaire NhaA dans ces systèmes. Le lipide cardiolipine a une structure unique contenant quatre chaînes d'acides gras. Cela conduit à des propriétés intéressantes des bicouches le contenant ainsi qu'à une interaction avec plusieurs protéines membranaires. Nous avons étudié la structure des membranes captives avec des fractions de cardiolipine élevées pouvant atteindre 80%. Les deux systèmes d'attache pourraient être utilisés pour former des bicouches lipidiques avec des fractions élevées de cardiolipine. En comparaison, le cardiolipine est généralement présent dans les membranes naturelles à de faibles fractions de l’ordre de 10%. La nanostructure des membranes avec différentes fractions de cardiolipine a été structurellement caractérisée par réflectométrie neutronique, et leurs propriétés électrophysiologiques ont été étudiées par spectroscopie d'impédance électrochimique. Ces membranes attachées de cardiolipine ont montré une structure très condensée avec de hautes propriétés d'étanchéité électrique. Ces résultats sont importants pour d'autres utilisations technologiques des bicouches lipidiques captives. Enfin, l'incorporation de la protéine membranaire NhaA dans de tels systèmes membranaires a été étudiée. NhaA a été incorporée avec succès dans les deux systèmes d'architecture d'attache à des fractions élevées sans perturber de manière significative la structure bicouche lipidique attachée. Cela fait des membranes attachées contenant des quantités élevées de cardiolipine un système de membrane modèle prometteur pour l'incorporation de protéines.

This thesis investigates the structure of tethered lipid bilayer membranes, which are lipid bilayers chemically grafted to a planar surface. Compared to other model membrane systems they show increased stability, but have a higher complexity in structure, which requires thorough investigation. The structure of tethered lipid bilayers is strongly influenced by the molecular architecture of the grafting molecules. Within the framework of this thesis, two different types of tether architecture were investigated. The first was a lipid bilayer tethered to a gold surface and using a single alkyl chain to anchor the membrane, while the second used a synthetic lipid-like molecular structure and was bound to a silicon surface by silane chemistry. Three main objectives for those systems were pursued: (i) to investigate tethered bilayers with high fractions of the lipid cardiolipin, (ii) to investigate the structural differences between tethered membranes having different surface grafting molecules, and (iii) to investigate the incorporation of the membrane protein NhaA into these systems. Cardiolipin has a unique structure characterized by four fatty acid chains, which leads to interesting effects on bilayer structure, as well as interaction with several membrane proteins. Tethered membranes with high cardiolipin fractions of up to 80 % were structurally characterized by neutron reflectometry, and their electrophysiological properties were investigated by electrochemical impedance spectroscopy. In both tethered bilayer architectures, cardiolipin containing membranes showed a very condensed structure with high electrical sealing properties. Differences in tether architecture mainly affected the structure of the water-filled sub-membrane space. The tethered bilayers grafted to a gold surface showed very low water content below the membrane, while the sub-membrane space of bilayers grafted to a silicon surface was highly hydrated. Finally, NhaA was successfully incorporated into both tether architecture systems at high fractions without damaging the tethered lipid bilayer structure significantly. This makes tethered membranes containing elevated amounts of cardiolipin a promising model membrane system for protein incorporation and offers possibilities for further technological uses of tethered lipid bilayers.